Пульсары представляют собой высокоточные источники периодических сигналов. Самыми точными «космическими часами» среди них являются миллисекундные пульсары, вращающиеся со скоростью 100–700 оборотов в секунду. Эти пульсары очень стары и часто находятся в шаровых скоплениях гало (может, среди этих пульсаров есть и реликтовые нейтронные звезды?). Точность хода таких космических часов лучше, чем атомных. Именно возле миллисекундного пульсара были обнаружены первые экзопланеты, которые своим орбитальным движением смещали частоту сигнала пульсара.
В 1978 году астрофизик Михаил Сажин из московского Астрономического института им. Штернберга предложил метод прямой регистрации гравитационных волн наногерцового диапазона с использованием пульсаров в качестве точных часов («Возможности детектирования сверхдлинных гравитационных волн»). Идея метода была в том, что в гравитационной волне пространство-время искривляется, поэтому и скорость времени испытывает периодические колебания. Если между Землей и пульсаром, который находится, например, на расстоянии тысячи световых лет, время колеблется из-за гравитационной волны, то частота получаемого пульсарного сигнала будет соответственно варьироваться. Сажин рассмотрел разные варианты генерации сверхдлинных волн и пришел к выводу, что перспективным источником может быть пара сверхмассивных объектов в 1010 солнечных масс, вращающихся друг вокруг друга с периодом 10 лет. Через год в Astrophysical Journal астроном Йельского университета Стивен Детвейлер опубликовал аналогичное исследование, сославшись на статью Сажина. Он полагал, что таким методом можно будет регистрировать гравитационную волну с периодом в 1–10 лет и уровнем безразмерной амплитуды в 10–11.
Первый миллисекундный пульсар был открыт в 1982 году. Разработка теоретических методов анализа сигналов таких пульсаров потребовала много лет. С 2005 года стала накапливаться база данных с точными наблюдениями сигналов миллисекундных пульсаров, которая была пригодна для поиска сверхдлинных фоновых гравитационных волн. Около полутора десятков крупнейших радиотелескопов мира объединились в международный консорциум для сбора данных по миллисекундным пульсарам. В него вошли радиотелескопы США, Канады, Европы, Австралии, Китая и Индии.
Команда NANOGrav (североамериканский консорциум из пяти крупных радиотелескопов) накопила и исследовала 11-летний массив данных, но не нашла следов сверхдлинных волн. Но в сентябре 2020 года командой NANOGrav был опубликован препринт анализа 12,5-летнего массива данных с использованием усовершенствованной методики обработки сигналов. В исследовании объявлялось о вероятном открытии наногерцовых гравитационных волн с периодом колебаний от 2 до 10 лет и уровнем безразмерной амплитуды 10–15. Статья вышла в окончательном варианте 24 декабря 2020 года. В 2021 году другая группа ученых подтвердила этот результат по независимым данным австралийского радиотелескопа (PPTA) в обсерватории Паркса (Goncharov et al., 2021). По 26 миллисекундным пульсарам группа PPTA нашла сигнал с периодом 1 год и амплитудой 2,2 × 10–15.
Гравитационные волны имеют квадрупольный характер. Поэтому гравитационные волны между наблюдателем и набором пульсаров должны вызывать не только задержки радиосигналов, но и корреляцию (или антикорреляцию) сигналов, приходящих от пар пульсаров, разнесенных по небу на значительное угловое расстояние. Как видно по данным NANOGrav и PPTA, такая квадрупольная корреляция есть, но она имеет слабую статистическую значимость. Из дискуссии, которая развернулась вокруг этой проблемы (см. Приложение II и ссылки в статье Gorkavyi, 2022), следует, что для слабой статистической значимости квадрупольности сигнала есть определенные причины, и с дальнейшим ростом статистики признаки квадрупольности должны быть более явными. Если квадрупольность будет подтверждена на хорошем уровне достоверности, тогда наногерцовые колебания сигнала пульсаров получат однозначную интерпретацию как гравитационные волны (хотя никаких альтернативных гипотез — чем иным могут быть объяснены эти колебания? — выдвинуто не было). Летом 2023 года были опубликованы результаты анализа 15-летней базы данных, которые были получены до разрушения радиотелескопа в Аресибо (Пуэрто-Рико) в середине 2020 года. Это позволило уверенно подтвердить квадрупольный характер наногерцовых гравитационных волн (Агази и др., 2023).
Для образования стохастического фона гравитационных волн и объяснения результатов NANOGrav и PPTA были выдвинуты не только гипотеза о парах сверхмассивных черных дыр в центрах слившихся галактик, но и целый ряд других идей, которые будут обсуждены в следующем разделе.