https://dzen.ru/a/ZeQ9jtTrjxcdPHE9
Астрофизики находятся на пороге понимания природы памяти нашей Вселенной
Вчера
461 прочитал
Когда черные дыры сталкиваются друг с другом в отдаленных уголках Вселенной, они высвобождают энергию в виде гравитационных волн. Это можно сравнить с рябью, которую создает на поверхности пруда брошенный камешек. Только в данном случае эти волны проходят через пространство-время.
Вселенная хранит память о гравитационных волнах - и скоро мы ее отыщем (Sleepless Eyes)
"В водоеме, после того как рябь исчезает, поверхность воды вновь становится гладкой, - говорит Дэвид Гарфинкл, космолог из Оклендского университета в Мичигане. Можно было бы предположить, что после прохождения гравитационной волны ткань Вселенной также возвращается в нормальное состояние. "Но это не так, - говорит Гарфинкл. На самом деле общая теория относительности Альберта Эйнштейна, (согласно которой гравитация возникает в результате искривления пространства-времени под воздействием массы объектов) предсказывает, что гравитационные волны должны незаметно изменять структуру пространства-времени по мере их прохождения. Другими словами, Вселенная помнит все.
Этот эффект "гравитационной памяти" настолько слаб, что его вполне можно считать гомеопатическим. Однако в последние годы несколько оптимистично настроенных астрофизиков взялись за попытку доказать его существование. "Эндрю Строминджер, физик-теоретик из Гарвардского университета, говорит: "Они хеджируют свои ставки относительно того, когда это произойдет, но никто не говорит, что мы не можем это измерить". И теперь, когда гравитационных волн становится все больше и больше, мы, возможно, находимся на пороге прорыва.
Такое открытие будет иметь далеко идущие и даже революционные последствия. Гравитационная память будет свидетельством скрытой формы симметрии, которая, как считается, пронизывает всю Вселенную. Это, в свою очередь, дало бы жизненно важные и потенциально решающие подсказки о квантовой теории гравитации - и о том, из чего в конечном итоге состоит пространство-время.
Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить нашу планету из Солнечной системы
Корни этой идеи уходят в далекие 60-е, когда физику Джозефу Веберу показалось, что он сделал невероятное открытие. Используя небольшие вибрирующие алюминиевые стержни, он уловил сигнал, который, как он утверждал, был первым обнаружением гравитационных волн. Заявление Вебера вызвало фурор в прессе, а вот его коллеги были более осторожны. Мало кто из физиков сомневался в существовании гравитационных волн, которые напрямую "вытекают" из уравнений общей теории относительности, но ожидалось, что сигнал должен быть настолько слабым, что Вебер вряд ли смог бы его зафиксировать с помощью своего весьма скромного оборудования.
Гравитационные волны
Среди критиков были два физика: Александр Полнарев и Яков Зельдович. Чтобы доказать, что Вебер ошибается, они рассчитали, какое влияние на вибрирующие стержни Вебера могли бы оказать самые мощные из всех возможных гравитационных волн. Они предложили, что в центре нашего Млечного Пути находится гипотетический сверхплотный звездный кластер - гораздо больший, чем все существующие в реальности скопления, - который создает волны, возмущающие две частицы, удаленные друг от друга на 1000 километров. Именно такое расстояние было между брусками Вебера, которые он разместил в лабораториях по всему миру. По их расчетам, даже в таком экстремальном случае оборудование Вебера должно быть в 100 миллионов раз более чувствительным, чтобы обнаружить гравитационные волны. В этом случае их обнаружение было невозможно", - говорит Полнарев.
Однако, доказывая, что Вебер ошибается, ученые обнаружили любопытный эффект. Расчеты показали, что частицы, вибрирующие под действием гравитационных волн, не возвращаются в исходное положение. Вместо этого их положение смещается на ничтожно малую величину. Это происходит потому, что пространство-время, объединяющее три измерения пространства и время в четырехмерную ткань, постоянно растягивается в одном направлении и сжимается в другом под действием гравитационной волны.
Вселенная может оказаться "огромной и сложной голограммой", а это значит, что жизнь в 3D - иллюзия, считают астрофизики. (LIGO/Virgo)
Но только не Полу Ласки. За несколько месяцев до публикации результатов LIGO он был в числе приглашенных в отель Hilton в Пасадене, штат Калифорния, чтобы обсудить перспективы исследования. "Мы все были очень взволнованы, - говорит Ласки - австралийский астрофизик из Университета Монаша в Мельбурне. "Десятки исследователей сновали из одной аудитории в другую, обсуждая самые разные вопросы - от того, как сливаются черные дыры, до нюансов работы оптических разветвителей LIGO. А как же гравитационная память? Если честно, я не уверен, что об этом думало слишком много людей", - говорит он.
И все же Ласки нашел небольшую группу сторонников гравитационной памяти. Вместе со своими коллегами из Монаша, Эриком Трайном и Юрием Левиным, Ласки познакомился с Джонатаном Блэкманом и Янбеем Ченом из Калифорнийского технологического института. Ранее не знавшие друг друга, обе группы работали над способом обнаружения гравитационной памяти. В качестве "дымящегося пистолета" мог бы выступить крошечный, скрытый сдвиг в пульсациях сигнала гравитационной волны.
Для детекторов, подобных LIGO, заметить его в отдельных событиях было бы слишком слабо. Но, объединив несколько событий, ученые решили, что смогут его обнаружить. Но все оказалось не так просто. Чен быстро заметил кое-что, чего не заметил Ласки. И это еще больше усложнило бы обнаружение. Однако исследователи не опускали руки. "Это была поездка на американских горках", - говорит Ласки. "Мы проводили расчеты во время переговоров. Вместо того чтобы пойти на ужин, мы сидели в своих комнатах и пытались решить эту проблему".
Неделю спустя, уже в самом конце конференции, им удалось решить эту задачу. Вопреки устоявшемуся мнению, их расчеты показали, что существование гравитационной памяти можно доказать, объединив данные LIGO и детектора Virgo в Италии. Сколько именно сигналов потребуется собрать вместе, предсказать было сложно - их может быть как 500, так и 4000, - но была надежда, что начиная с 1000 они смогут увеличить этот "крошечный" эффект настолько, чтобы его заметить.
Струи плазмы коллапсаров способны замедлять вращение черных дыр почти до полной остановки
Теперь, когда LIGO, Virgo и детектор гравитационных волн Kamioka в Японии снова включились после модернизации, этот рубеж стал вполне досягаем. Новые наблюдения поступают каждую неделю, и на данный момент их число уже превысило 100. При таких темпах экспериментаторы надеются обнаружить гравитационную память в течение нескольких лет.
Это стало бы еще одним подтверждением предсказаний теории гравитации Эйнштейна. Однако, как ни парадоксально, это также может помочь продемонстрировать, что она имеет свои пределы: гравитационная память может рассказать о том, что черные дыры, предсказанные общей теорией относительности, не являются теми самыми черными дырами, которые мы себе представляем.
Такое несоответствие может проявиться в самые последние моменты слияния двух черных дыр, когда они вращаются друг вокруг друга по спирали, прежде чем окончательно слиться в одну. Образовавшаяся черная дыра начинает "звенеть" — это еще один способ сказать, что она вибрирует из-за столкновения, - прежде чем превратиться в обычную, спокойную черную дыру, излучая при этом еще некоторое количество гравитационных волн. По этим гравитационным волнам можно определить конфигурацию " рингдауна" черной дыры. И она скорее всего будет немного иной в зависимости от того, подчиняются ли черные дыры законам общей теории относительности или альтернативной теории гравитации, говорит Ласки.
В общей теории относительности черные дыры описываются двумя величинами: массой и спином. Все, что выходит за пределы этих двух параметров, называется "волосами", поэтому любые черные дыры, не подчиняющиеся общей теории относительности, будут "волосатыми", говорит Ласки. Это означает, что "волосатые" черные дыры будут звенеть иначе, чем "лысые" черные дыры. Именно поэтому ученые пытаются провести "максимально точные измерения" черных дыр. Ласки, считает, что, исследуя гравитационные волны, можно обнаружить скрытые волосы. Если вы хотите по-настоящему проверить общую относительность, вы можете проверить эту "теорему об отсутствии волос", говорит Ласки.
Проблема и причина, по которой гравитационная память может оказаться полезной, заключается в том, что часть сигнала, который она могла бы сгенерировать, по прогнозам, должна появиться одновременно с "рингдауном". Поэтому, чтобы по-настоящему понять эти гравитационные волны, мы должны сначала узнать, какую роль играет гравитационная память.
Считается, что гравитационные волны постоянно искажают пространство-время. Гравитационные волны имеют некоторые схожие со светом свойства. В вакууме они движутся с той же скоростью и имеют определенную частоту и амплитуду. Их отличие от светового излучения заключается в том, что они не рассеиваются и не поглощаются материей, как свет. Sakkmesterke / Alamy
Если исследователям удастся разделить эти два сигнала и обнаружить, что черные дыры все-таки волосатые, это будет самым четким признаком того, что на смену общей теории относительности должна прийти теория квантовой гравитации. Это позволило бы объединить гравитацию с другими силами природы, описываемыми квантовой механикой. Как может выглядеть эта квантовая гравитация, пока непонятно, поскольку эксперименты пока не принесли никаких подсказок. Но гравитационная память и тут дает надежду, а все благодаря странной причуде природы, которую Стромингер обнаружил несколько лет назад.
Линейный вид
