Гравітаційні хвилі зазвичай асоціюють зі злиттям чорних дір чи нейтронних зір — короткими, потужними сплесками, які детектори LIGO і Virgo вже навчилися ловити поодинці. Але Всесвіт постійно генерує й інший тип сигналу: сумарний, невпинний шум від мільйонів джерел, які окремо занадто слабкі, щоб їх зареєструвати. Цей стохастичний фон гравітаційних хвиль (СФГХ) несе інформацію не про одну подію, а про сукупну історію цілого класу процесів у Всесвіті. Нова робота присвячена одному з таких фонів — тому, що народжується колапсом ядер масивних зір, тобто наднових.

Як змоделювали фон від наднових

Автори використали велику колекцію тривимірних, багатосекундних комп'ютерних симуляцій колапсу зоряних ядер — одних із найдетальніших на сьогодні моделей вибуху наднової. На відміну від спрощених одновимірних моделей, тривимірні симуляції відтворюють турбулентність, конвекцію та асиметрію потоків речовини й нейтрино всередині зорі, що колапсує. Саме ці асиметрії і породжують гравітаційні хвилі.

Підсумувавши внесок від усіх наднових, що коли-небудь відбулись і відбудуться у спостережуваному Всесвіті, дослідники отримали характеристики очікуваного фонового сигналу — його спектр, тобто розподіл енергії за частотами.

Два джерела сигналу: нейтрино і речовина

Виявилось, що фон від наднових складається з двох окремих компонентів, які виникають з різних фізичних причин.

Перший компонент лежить на низьких частотах, приблизно 0,01–1 Гц. Його джерело — анізотропне випромінювання нейтрино під час вибуху. Коли ядро зорі колапсує, у навколишній простір виривається величезна кількість нейтрино, але їхній потік не однаковий у всіх напрямках. Ця нерівномірність створює ефект, який називають гравітаційною хвильовою пам'яттю: після проходження хвилі метрика простору-часу не повертається повністю до вихідного стану, а залишається трохи зміненою — «пам'ятає» про асиметричний викид нейтрино.

Другий компонент лежить на набагато вищих частотах, понад 100 Гц, і виникає через динаміку речовини безпосередньо поблизу новоствореного ядра — турбулентні рухи, конвекцію, нестабільності в гарячому шарі речовини, що оточує щойно народжену нейтронну зорю чи чорну діру.

Чому саме компонент пам'яті важливий

З двох компонентів саме низькочастотний, «нейтринний», має найкращі шанси бути виявленим. Його характерний пік припадає на частоту близько 0,1 Гц — а це точно той діапазон, у якому працюватимуть майбутні космічні детектори гравітаційних хвиль (на кшталт місій, що прийдуть на зміну наземним LIGO і Virgo, чутливим до вищих частот).

Найцікавіший результат стосується амплітуди цього сигналу. На піку енергетична щільність фону від наднових може виявитися порівнянною з енергетичною щільністю інших гіпотетичних фонів гравітаційних хвиль — тих, що передбачаються моделями повільного скочування інфляції в перші миті існування Всесвіту, або фонів від можливих космологічних реліктів, що збереглися з дуже ранніх епох.

Компонент пам'яті офери найкращі перспективи виявлення, оскільки його характерний пік на частоті близько 0,1 Гц знаходиться в межах досяжності майбутніх космічних детекторів

Це означає, що фон від наднових потенційно здатний «замаскувати» або спотворити пошук набагато фундаментальніших сигналів — тих, що могли б розповісти про фізику ранньої Вселенної. Автори прямо зазначають: це варто враховувати в майбутніх пошуках подібних космологічних сигналів.

Що далі

Робота показує: перш ніж робити висновки про походження будь-якого слабкого фонового сигналу на частоті близько 0,1 Гц, дослідникам доведеться враховувати й відділяти внесок від наднових. Це схоже на ситуацію в прямому пошуку темної матерії, де сигнали від нейтрино утворюють так званий «нейтринний туман» — фоновий шум, який неможливо повністю усунути і крізь який доводиться «пробиватися» в пошуках справжньої мети. Тепер, схоже, схожий «туман» з'являється і в гравітаційно-хвильовій астрономії — і майбутнім космічним обсерваторіям доведеться навчитися бачити крізь нього.