Оркестр из миллионов инструментов играет одну ноту, но каждый вступает в свой момент и со своей громкостью. Так звучит стохастический гравитационно-волновой фон — гул от неразличимых по отдельности слияний чёрных дыр. Долгое время считалось, что пары чёрных дыр кружатся почти по идеальным окружностям. Но орбиты могут быть и сильно сплюснутыми эллипсами. Авторы новой работы показали: тогда общий «шум» меняется, и это можно услышать.
Когда две чёрные дыры звёздной массы сближаются, они теряют энергию через излучение гравитационных волн. На вытянутой орбите волны выплёскиваются особенно сильно в моменты наибольшего сближения. Это похоже на скрип качелей: если ребёнок сидит неподвижно, скрип равномерный, а при сильном раскачивании звук становится резче и громче на пиках. Так и тут: вытянутость (по-научному — эксцентриситет) делает гравитационный гул заметно громче на высоких частотах.
Учёные построили модель фона для двух случаев. В первом все пары имеют одинаковую, очень большую вытянутость — выше 0.9 на частоте орбиты 0.0001 Гц. Такой фон уверенно отличается от фона круговых орбит. Во втором случае вытянутость у пар разная, распределённая по тепловому закону. Тут всё зависит от того, насколько рано пары начали сближаться: если на частоте 0.00001 Гц — фон почти как у круговых, а если на 0.0001 Гц — отличия уже заметны. Это важно для будущего космического детектора LISA, который будет ловить волны именно в этом диапазоне.
Ещё один сюрприз: вытянутость орбит позволяет отличить чистую эволюцию пары в вакууме от эволюции в плотной газовой среде. Если вокруг чёрных дыр много газа (плотность выше одной десятимиллионной грамма на кубический сантиметр), трение о газ дополнительно скругляет орбиты, и это отражается на фоне. Анализируя гул, можно будет понять, в каком окружении жили чёрные дыры. Наконец, если LISA зарегистрирует такой фон, это даст верхнюю оценку вытянутости орбит у тех же пар, когда они дойдут до частот наземных детекторов. А значит, улучшит шаблоны для поиска отдельных сигналов. Короткая стройка орбит в начале пути оставляет долгий гул в памяти Вселенной.
Гравитационные волны от одной пары чёрных дыр могут выплёскиваться неравномерно: на вытянутой орбите всплеск излучения в момент наибольшего сближения в тысячи раз мощнее, чем на остальной части витка.
В романе «Контакт» Карла Сагана инопланетяне передают людям чертежи машины, использующей гравитационные волны. Реальные детекторы вроде LISA, возможно, однажды уловят не только природный гул, но и искусственные сигналы.