Нові методи дадуть змогу краще перевірити ЗТВ Ейнштейна за допомогою даних LIGO

Запропоновано нові методи, уважно вивчаючи гравітаційні хвилі від злиття чорних дір, пошуку ознак невеликих відхилень від загальної теорії відносності, які могли б натякнути на присутність квантової гравітації.

Про це розповідають в Каліфорнійському технологічному інституті (Калтех), передають OstanniPodii.com.

Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна описує, як тканина простору й часу, або простір-час, викривляється залежно від маси. Наприклад, наше Сонце викривляє простір навколо нас так, що планета Земля котиться навколо Сонця, наче кулька, кинута у вирву (Земля не падає на Сонце через свій направлений у сторону імпульс).

Теорія, яка була революційною на момент її висунення у 1915 році, переосмислила гравітацію як викривлення простору-часу. Хоч би якою фундаментальною була ця теорія для самої природи простору навколо нас, фізики кажуть, що ще, можливо, не кінець історії. Натомість вони стверджують, що теорії квантової гравітації, які намагаються об′єднати загальну відносність з квантовою фізикою, містять секрети того, як працює наш Всесвіт на найглибших рівнях.

Одним із місць пошуку ознак квантової гравітації є потужні зіткнення між чорними дірами, де гравітація проявляється в найекстремальнішому ступені. Чорні діри є найщільнішими об′єктами у Всесвіті -- їхня гравітація настільки сильна, що вони стискають об′єкти, які падають у них, у дещо схоже на спагеті. Коли дві чорні діри стикаються й зливаються в одне велике тіло, вони перемішують простір-час навколо себе, посилаючи на всі сторони брижі, звані гравітаційними хвилями.

LIGO (Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) регулярно виявляє гравітаційні хвилі, що виникають під час злиття чорних дір, від 2015 року (її партнерські обсерваторії, Virgo та KAGRA, приєдналися до полювання у 2017 і 2020 роках, відповідно). Однак досі загальна теорія відносності проходила тест за тестом без будь-яких ознак її руйнування.

Тепер у двох нових роботах, опублікованих у журналах Physical Review X і Physical Review Letters, описано нові методи, що дають змогу піддати загальну теорію відносності ще більш суворим випробуванням. Уважно вивчаючи структури чорних дір і пульсації в просторі-часі, які вони виробляють, вчені шукатимуть ознаки невеликих відхилень від загальної теорії відносності, які могли б натякнути на присутність квантової гравітації.

"Коли дві чорні діри зливаються й утворюють велику чорну діру, фінальна чорна діра дзвенить, як дзвін", - пояснює др. Янбей Чен, професор фізики в Калтеху та співавтор обох досліджень. "Якість дзвону, або його тембр, може відрізнятися від прогнозів загальної теорії відносності, якщо деякі теорії квантової гравітації вірні. Наші методи призначені для пошуку відмінностей у якості цієї фази дзвону, таких як гармоніки та обертони, наприклад".

Рівняння "дзвону" чорної діри

У першій роботі, виконаній під керівництвом аспіранта Калтеху Донгджуна Лі, повідомляється про нове єдине рівняння для опису того, як чорні діри "дзвонять" у рамках певних квантових теорій гравітації, або в тому, що науковці називають режимом за межами загальної теорії відносності.

Робота заснована на новаторському рівнянні, розробленому 50 років тому др. Солом Теукольським, професором теоретичної астрофізики в Калтех. Теукольський розробив складне рівняння, щоб краще зрозуміти, як пульсації геометрії простору-часу поширюються навколо чорних дір. На відміну від чисельних методів відносності, в яких суперкомп′ютерам потрібно одночасно розв′язувати безліч диференціальних рівнянь, які стосуються загальної теорії відносності, рівняння Теукольського набагато простіше у використанні та, як пояснює Лі, дає пряме фізичне розуміння проблеми.

"Якщо хтось хоче розв′язати всі рівняння Ейнштейна для злиття чорних дір, щоб точно змоделювати їх, він повинен звернутися до суперкомп′ютерів", - каже Лі. "Чисельні методи відносності неймовірно важливі для точного моделювання злиття чорних дір, і вони забезпечують вирішальну основу для інтерпретації даних LIGO. Але фізикам вкрай складно робити інтуїтивні висновки безпосередньо з чисельних результатів. Рівняння Теукольського дає нам інтуїтивний погляд на те, що відбувається на стадії злиття".

Лі зміг взяти рівняння Теукольського та вперше адаптувати його для чорних дір у режимі поза межами загальної теорії відносності. "Наше нове рівняння дає нам змогу моделювати й розуміти гравітаційні хвилі, що поширюються навколо чорних дір, які є більш екзотичними, ніж передбачав Ейнштейн", - каже він.

Фільтри для даних LIGO

Друга робота, опублікована в журналі Physical Review Letters під керівництвом аспіранта Калтеху Сіженга Ма, описує новий спосіб застосування рівняння Лі до фактичних даних, отриманих LIGO та його партнерами під час наступного циклу спостережень. Цей підхід до аналізу даних використовує серію фільтрів для видалення особливостей дзвону чорної діри, передбачених загальною теорією відносності, щоб виявити потенційно тонкі сигнатури, що виходять за рамки ЗТВ.

"Ми можемо шукати особливості, що описуються рівнянням Донгджуна, в даних, які зберуть LIGO, Virgo і KAGRA", - каже Ма. "Донгджун знайшов спосіб перевести великий набір складних рівнянь в одне рівняння, і це дуже корисно. Це рівняння більш ефективне й просте у використанні, ніж методи, які ми застосовували раніше".

За словами Лі, ці два дослідження добре доповнюють одне одного. "Спочатку я турбувався, що сигнатури, які пророкує моє рівняння, будуть поховані під численними обертонами й гармоніками; на щастя, фільтри Сіжена можуть видалити всі ці відомі особливості, що дає нам змогу просто зосередитися на відмінностях", - каже він.

Чен додав: "Спільна робота Лі та Ма може значно розширити можливості нашої спільноти в дослідженні гравітації".