В первые мгновения жизни Вселенная напоминала бурлящий котёл. Вещество не было разлито ровно — в нём зрели сгустки и пустоты, и их бурное движение рождало дрожь самого пространства: гравитационные волны. Сегодня мы пытаемся уловить их отголоски — например, с помощью сети радиотелескопов NANOGrav, — и сравнить с предсказаниями. Для этого физики запускают численные симуляции на суперкомпьютерах, воссоздавая тот древний шторм.
Но есть загвоздка. Когда из симуляции напрямую считают спектр — распределение энергии волн по частотам, — на низких частотах вылезает мелкая дрожь. Она похожа на рябь, которую вовсе не ждали. Причина не в физике, а в математике: при усреднении квадратов амплитуд в сигнал прокрадываются удвоенные частоты. Как если бы эхо отражалось от стены и накладывалось само на себя. Авторы работы называют это «паразитными извивами» и показывают, что они не имеют отношения к реальным волнам. Такой спектр нельзя показывать наблюдателям — он вводит в заблуждение.
Решение пришло из простого соображения: нужно дать симуляции «остыть». Когда источник волн — например, сеть доменных стенок (гипотетических складок пространства-времени) — исчезает, волны ещё некоторое время гуляют по Вселенной. Если продлить расчёт на несколько хаббловских времён (периодов удвоения размеров Вселенной) после выключения источника, паразитные колебания сами собой сглаживаются. Физики проверили это с помощью кода CosmoLattice, моделируя как раз сеть доменных стенок. Продлённая симуляция позволила восстановить истинный, гладкий инфракрасный склон спектра — тот самый, который несёт память о самом бурном этапе рождения волн.
Авторы предостерегают: искусственное растягивание уравнений с помощью известного приёма Пресса–Риддика–Сперджела (PRS) здесь не годится. Оно даёт неверные спектры, даже если аккуратно перенормировать источники. Только честное физическое продолжение счёта, занявшее дополнительные несколько хаббловских времён, выводит на чистую воду истинный сигнал. Метод довольно универсален и применим к любым численным моделям гипотетических источников гравитационных волн в ранней Вселенной.
Сеть доменных стенок — это гипотетические «морщины» пространства-времени, которые могли возникнуть при остывании Вселенной, когда она проходила через фазовые переходы, подобно тому как вода превращается в лёд.
В романе «Контакт» Карла Сагана инопланетный сигнал содержит в себе чертёж машины, использующей гравитационные волны для путешествий сквозь пространство-время.