Новые методы позволят лучше проверить ОТО Эйнштейна с помощью данных LIGO

Предложены новые методы, внимательно изучая гравитационные волны от слияния черных дыр, поиска признаков небольших отклонений от общей теории относительности, которые могли бы намекнуть на присутствие квантовой гравитации.

Об этом рассказывают в Калифорнийском технологическом институте (Калтех), передают OstanniPodii.com.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна описывает, как ткань пространства и времени, или пространство-время, искривляется в зависимости от массы. Например, наше Солнце искривляет пространство вокруг нас так, что планета Земля катится вокруг Солнца, как шарик, брошенный в воронку (Земля не падает на Солнце из-за своего направленного в сторону импульса).

Теория, которая была революционной на момент ее выдвижения в 1915 году, переосмыслила гравитацию как искривление пространства-времени. Какой бы фундаментальной ни была эта теория для самой природы пространства вокруг нас, физики говорят, что еще, возможно, не конец истории. Вместо этого они утверждают, что теории квантовой гравитации, которые пытаются объединить общую относительность с квантовой физикой, содержат секреты того, как работает наша Вселенная на самых глубоких уровнях.

Одним из мест поиска признаков квантовой гравитации являются мощные столкновения между черными дырами, где гравитация проявляется в самой экстремальной степени. Черные дыры являются самыми плотными объектами во Вселенной -- их гравитация настолько сильна, что они сжимают падающие в них объекты в нечто похожее на спагетти. Когда две черные дыры сталкиваются и сливаются в одно большое тело, они перемешивают пространство-время вокруг себя, посылая во все стороны рябь, называемую гравитационными волнами.

LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) регулярно обнаруживает гравитационные волны, возникающие при слиянии черных дыр, с 2015 года (ее партнерские обсерватории, Virgo и KAGRA, присоединились к охоте в 2017 и 2020 годах, соответственно). Однако до сих пор общая теория относительности проходила тест за тестом без каких-либо признаков ее разрушения.

Теперь в двух новых работах, опубликованных в журналах Physical Review X и Physical Review Letters, описаны новые методы, позволяющие подвергнуть общую теорию относительности еще более суровым испытаниям. Внимательно изучая структуры черных дыр и пульсации в пространстве-времени, которые они производят, ученые будут искать признаки небольших отклонений от общей теории относительности, которые могли бы намекнуть на присутствие квантовой гравитации.

"Когда две черные дыры сливаются и образуют большую черную дыру, финальная черная дыра звенит, как колокол", - объясняет др. Янбей Чен, профессор физики в Калтехе и соавтор обоих исследований. "Качество колокола, или его тембр, может отличаться от прогнозов общей теории относительности, если некоторые теории квантовой гравитации верны. Наши методы предназначены для поиска различий в качестве этой фазы колокола, таких как гармоники и обертоны, например".

Уравнение "звона" черной дыры

В первой работе, выполненной под руководством аспиранта Калтеха Донгджуна Ли, сообщается о новом единственном уравнении для описания того, как черные дыры "звонят" в рамках определенных квантовых теорий гравитации, или в том, что ученые называют режимом за пределами общей теории относительности.

Работа основана на новаторском уравнении, разработанном 50 лет назад др. Солом Теукольским, профессором теоретической астрофизики в Калтехе. Теукольский разработал сложное уравнение, чтобы лучше понять, как пульсации геометрии пространства-времени распространяются вокруг черных дыр. В отличие от численных методов относительности, в которых суперкомпьютерам нужно одновременно решать множество дифференциальных уравнений, касающихся общей теории относительности, уравнение Теукольского гораздо проще в использовании и, как объясняет Ли, дает прямое физическое понимание проблемы.

"Если кто-то хочет решить все уравнения Эйнштейна для слияния черных дыр, чтобы точно смоделировать их, он должен обратиться к суперкомпьютерам", - говорит Ли. "Численные методы относительности невероятно важны для точного моделирования слияния черных дыр, и они обеспечивают решающую основу для интерпретации данных LIGO. Но физикам крайне сложно делать интуитивные выводы непосредственно из численных результатов. Уравнение Теукольского дает нам интуитивный взгляд на то, что происходит на стадии слияния".

Ли смог взять уравнение Теукольского и впервые адаптировать его для черных дыр в режиме вне общей теории относительности. "Наше новое уравнение позволяет нам моделировать и понимать гравитационные волны, распространяющиеся вокруг черных дыр, которые являются более экзотическими, чем предсказывал Эйнштейн", - говорит он.

Фильтры для данных LIGO

Вторая работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters под руководством аспиранта Калтеха Сиженга Ма, описывает новый способ применения уравнения Ли к фактическим данным, полученным LIGO и его партнерами во время следующего цикла наблюдений. Этот подход к анализу данных использует серию фильтров для удаления особенностей звона черной дыры, предсказанных общей теорией относительности, чтобы выявить потенциально тонкие сигнатуры, выходящие за рамки ОТО.

"Мы можем искать особенности, описываемые уравнением Донгджуна, в данных, которые соберут LIGO, Virgo и KAGRA", - говорит Ма. "Донгджун нашел способ перевести большой набор сложных уравнений в одно уравнение, и это очень полезно. Это уравнение более эффективное и простое в использовании, чем методы, которые мы применяли ранее".

По словам Ли, эти два исследования хорошо дополняют друг друга. "Сначала я беспокоился, что сигнатуры, которые предсказывает мое уравнение, будут похоронены под многочисленными обертонами и гармониками; к счастью, фильтры Сижена могут удалить все эти известные особенности, что позволяет нам просто сосредоточиться на различиях", - говорит он.

Чен добавил: "Совместная работа Ли и Ма может значительно расширить возможности нашего сообщества в исследовании гравитации".