Содержание
Рябь пространства-времени
Алексей Левин
«Популярная механика» №6, 2006
Гравитационные волны, теоретически предсказанные Эйнштейном еще в 1917 году, всё еще дожидаются своего первооткрывателя.
В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил волны тяготения, пришедшие на Землю из глубин космоса. До того времени ни один ученый не выступал с подобными претензиями, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью.
Однако вскоре наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая ежегодно пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрономы занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (сейчас доказано, что черная дыра там действительно есть, но ведет она себя вполне пристойно).
Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа – и не добились ничего.
Ученые до сих пор не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия не пропали даром, хотя гравитационные волны до сих пор так и не обнаружены. Несколько установок для их поиска уже построены или строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос. Вполне возможно, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же наблюдаемой физической реальностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не узнает – он умер в сентябре 2000 года.
Что такое волны тяготения
Часто говорят, что гравитационные волны – это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Волны тяготения – это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью.
Гравитационные волны были в 1917 году теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны всё еще дожидаются своего первооткрывателя.
Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.
Этот вывод относится к любому телу (или системе тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны.
Гравитационные маяки космоса
Гравитационное излучение земных источников чрезвычайно слабо. Стальная колонна массой 10 000 тонн, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная вокруг вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность примерно 10–24 Вт. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения – найти космический источник гравитационного излучения.
В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Еще лучше, если траектории звезд сильно вытянуты, так как при этом возрастает скорость изменения квадрупольного момента. Совсем хорошо, если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе – их излучение имеет периодический характер.
В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески.
Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до 10% полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае составляет порядка 1050 Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 1052 Вт. Превосходный источник излучения – столкновение черных дыр: их массы могут превышать массы нейтронных звезд в миллиарды раз.
Еще один источник гравитационных волн – космологическая инфляция. Сразу после Большого взрыва Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться, и меньше чем за 10–34 секунды ее поперечник увеличился с 10–33 см до макроскопического размера. Этот процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.
Косвенные подтверждения
Первое доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса.
В 1974 году они обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с молчаливым компаньоном). Пульсар вращался вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служил исключительно точными часами. Эта особенность позволила измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период обращения этой двойной системы (около 3 ч 45 мин) ежегодно сокращается на 70 мкс. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (впрочем, столкновение этих звезд случится нескоро, через 300 млн лет). В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.
Гравитационно-волновые антенны
Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах.
Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один – в Аргоннской национальной лаборатории.
Идея эксперимента проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космических волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов.
Веберовские датчики были в состоянии заметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10–15 его длины – в данном случае 10–13 см. Именно такие колебания Веберу удалось обнаружить, о чем он впервые и сообщил в 1959 году на страницах Physical Review Letters.
Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречат теории, которая практически не позволяет ожидать относительных смещений выше 10–18 (причем гораздо вероятнее значения менее 10–20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.
В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Билл Фэйрбанк предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), точнейших сверхчувствительных магнитометров. Реализация этой идеи оказалась сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью 10–18, однако волн не зарегистрировали.
Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес – 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA – около 10–20–10–21.
Интерферометры
Еще один способ детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в 1962 году его предложили советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер.
В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Форвард (в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст) построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же профессор Массачусетского технологического института (MIT) Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн с помощью оптических методов.
Эти методы предполагают использование аналогов прибора, с помощью которого 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет – остаться такой же, что и раньше.
Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое. Интерференционная картинка меняется, и это можно зарегистрировать. Но это непросто: если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10–20, то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается колебаниями амплитудой порядка 10–18 см. Для сравнения: волны видимого света в 10 трлн раз длиннее! Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы всё равно останутся. Лазерный источник света должен быть и мощным, и стабильным по частоте, зеркала – идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, – максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы – воистину совершенной. Короче говоря, интерференционный детектор гравитационных волн – прибор дорогой и громоздкий.
Сегодня самая большая установка такого рода – американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая – неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, – рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. – Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч – 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера.
300-метровый японский прибор TAMA в настоящее время модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, хотя их чувствительность всё же несколько меньше нашей».
Перспективы
Что же ожидает методы обнаружения гравитационных волн в ближайшем будущем? Об этом «Популярной механике» рассказал профессор Райнер Вайсс: «Через несколько лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более мощные лазеры и более совершенные детекторы, что приведет к 15-кратному увеличению чувствительности. Сейчас она составляет 10–21 (на частотах порядка 100 Гц), а после модернизации превысит 10–22. Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте активно участвует профессор МГУ Владимир Брагинский, один из пионеров изучения гравитационных волн.
На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10–4–10–1 Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer, сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30–40 лет».
Волны пространства-времени . Суперобъекты [Звезды размером с город]
Итак, мы описываем гравитацию с помощью геометрической теории. Обычно для иллюстрации ее свойств используют аналогию с эластичной поверхностью, о которой мы уже говорили. Пусть есть такая резиновая плоскость. Теперь представьте, что вы – бог и вы тыкаете пальцем в эту плоскость. Вы постукиваете по поверхности, и по ней бежит рябь. В некотором смысле это и есть гравитационные волны. Но палец в данном случае появляется откуда-то снаружи. Теперь вернемся в реальность. В реальности возмущение должно производить что-то на самой плоскости, какие-то реальные объекты. В принципе, если вы размахиваете руками – вы испускаете гравитационные волны, потому что руки имеют массу, так что они искажают пространство вокруг себя, вы ими двигаете, и по пространству бежит рябь. Но это очень слабый эффект. Сильный эффект достигается, если двигаются массивные и, что важно, достаточно компактные объекты, потому что нам нужно не просто тяжелое тело – нам нужно в данном месте очень сильно исказить пространство-время.
И в данном случае черные дыры идеально подходят.
Однако черная дыра сама по себе достаточно симметрична, она ничего излучать не будет. Нам нужна какая-то асимметрия. К счастью, в природе происходят нужные нам несимметричные процессы. Например, было две массивные звезды. Обе поочередно взорвались как сверхновые и дали две черные дыры. И теперь они крутятся друг вокруг друга. Далее, представьте, у вас два уже шарика катаются по нашей эластичной плоскости, вращаясь вокруг общего центра масс. От них обязательно побежит рябь. Испускаются волны.
Вращаясь по своим орбитам, черные дыры испускают гравитационные волны. Они уносят энергию и момент импульса орбитального движения. Поэтому черные дыры постепенно сближаются. Гравитация так устроена, что если от системы двух тел отнять энергию, то скорость орбитального движения по мере сближения только растет. В случае черных дыр она постепенно доберется до скорости света. Значит, перед слиянием у каждой черной дыры имеется колоссальная кинетическая энергия.
Система из двух компактных объектов, которые сближаются за счет испускания гравитационных волн. Если хотя бы один из объектов является радиопульсаром, то мы можем очень точно измерить изменение параметров системы, что позволяет не только определить свойства обоих компонентов, но и проверять предсказания теорий гравитации.
Итак, мы рассматриваем экстремальный случай. Мы берем одну черную дыру и кидаем в другую. Это уникальный процесс, где столкновение происходит на скорости света, большего и представить нельзя. Вроде бы должна выделиться куча энергии, и она как бы выделяется – только в виде чего? Ведь у черных дыр нет поверхности! У нас сталкиваются не два обычных тела, а две области пространства-времени, ограниченные горизонтом. Вся огромная энергия выделяется в виде гравитационных волн. Если сливается система из двух черных дыр, то происходит очень мощный гравитационно-волновой всплеск. Такие сигналы планируют поймать на гравитационно-волновых антеннах LIGO и VIRGO. В ближайшее время это самый реалистичный способ открыть черные дыры.
То есть ученые одним открытием убьют двух зайцев.
Во-первых, будет напрямую доказано существование гравитационных волн. Сейчас у нас есть лишь косвенное подтверждение. Астрономы наблюдали двойную систему, но не из двух черных дыр, а из двух нейтронных звезд. Одна из них излучает как пульсар, поэтому это как бы очень точные часы, посылающие нам регулярные сигналы, и мы видим, что система сближается, и единственный разумный механизм, который это все объясняет, как раз гравитационные волны. Данные наблюдений оказались в полном согласии с предсказаниями Общей теории относительности. За открытие и исследование двойного радиопульсара астрономы получили Нобелевскую премию по физике. Затем эти результаты были независимо проверены и подтверждены благодаря наблюдению десятка подобных систем.
Во-вторых, если мы откроем сигнал от слияния черных дыр, то мы не только напрямую зарегистрируем гравитационные волны, тем самым доказав правильность геометрического подхода к гравитации, мы еще и получим сильнейшие аргументы в пользу того, что мы правильно понимаем природу черных дыр.
Две дыры сольются, образуя единую дыру, ее горизонт будет дрожать какое-то время, и от этого тоже можно зарегистрировать гравитационно-волновой сигнал. Поэтому задачи, связанные с регистрацией гравитационных волн, считаются крайне перспективными.
Гравитационные волны: «вмятины» в пространстве-времени
Наука и исследования
8438 просмотра
35 лайков
Гравитационные волны принципиально отличаются, например, от электромагнитных волн. Ускорение электрических зарядов создает электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве и времени. Однако гравитационные волны, создаваемые ускорением массы, являются волнами самой «ткани» пространства-времени.
Согласно теории гравитации Ньютона гравитационное взаимодействие между двумя телами происходит мгновенно. Однако специальная теория относительности Эйнштейна говорит, что ничто не может двигаться быстрее скорости света.
Если объект меняет форму в результате притяжения к нему массы, возникающее в результате изменение силового поля будет распространяться наружу со скоростью света.
В 1805 году Лаплас сказал, что если гравитация распространяется с конечной скоростью, сила в двойной звездной системе не должна быть направлена вдоль линии, соединяющей звезды, и угловой момент системы должен медленно уменьшаться со временем.
Найдено доказательство гравитационных волн
Альберт Эйнштейн, 1879–1955 гг.
Современные ученые сказали бы, что двойные звезды теряют энергию и угловой момент, излучая «гравитационные волны». В конце 1970-х было найдено косвенное доказательство существования гравитационных волн при наблюдении двойного пульсара PSR 19.13+16. Первое прямое обнаружение гравитационных волн, излучаемых парой сливающихся черных дыр, было получено с помощью усовершенствованной гравитационно-волновой обсерватории лазерного интерферометра в 2015 году, а об открытии было объявлено 11 февраля 2016 года.
волны, теоретики относительности, такие как Х. Бонди, доказали, что гравитационное излучение физически наблюдаемо, что гравитационные волны несут энергию и что система, излучающая гравитационные волны, должна терять энергию.
Общая теория относительности подразумевает признание того, что пространство и время не имеют независимого существования, а скорее находятся в интенсивном взаимодействии с физическим миром. Массивные объекты оставляют «вмятины» в ткани пространства-времени. Другие объекты движутся в этом искривленном пространстве-времени по кратчайшему пути, как бильярдные шары по упругой поверхности. Итак, пространство-время — это «эластичная среда».
Эластичный, но жесткий!
Если объект асимметрично меняет форму, «вмятины» в пространстве-времени расходятся наружу подобно ряби в пространстве-времени, называемой «гравитационные волны». Гравитационные эффекты, которые являются сферически симметричными, не будут производить гравитационное излучение. Совершенно симметричный коллапс сверхновой не вызовет волн, а несферический коллапс будет излучать гравитационное излучение.
Двойная система всегда будет излучать.
Гравитационные волны искажают пространство-время: они изменяют расстояния между большими свободными объектами. Гравитационная волна, проходящая через Солнечную систему, создает в пространстве переменную во времени деформацию, которая периодически изменяет расстояния между всеми телами Солнечной системы (эта деформация изменяет расстояния перпендикулярно направлению движения волны).
Однако относительное изменение длины из-за прохождения гравитационной волны чрезвычайно мало. Например, в случае типичного двойного белого карлика на типичном расстоянии 160 световых лет оно составляет всего 10–10 м. Измерение столь малых расстояний между объектами, находящимися далеко друг от друга, представляет собой сложную задачу.
Хотя сверхновая в далекой галактике омывает Землю гравитационным излучением мощностью несколько киловатт на квадратный метр, результирующие изменения длины всегда будут очень малы. Пространство-время — это эластичная среда, которая упрямо остается жесткой.
Галактические двойные системы и массивные черные дыры
Гигантские черные дыры
Что касается миссии, подобной LISA, гравитационные волны возникают из двух основных источников: двойных галактик и массивных черных дыр (МЧД), которые, как ожидается, существуют в центрах большинства галактик.
Наблюдение за двойными объектами возможно только в нашей Галактике. Миссии, подобные LISA, смогут обнаруживать несколько типов галактических источников. Некоторые двойные галактики настолько хорошо изучены, особенно рентгеновская двойная система 4U1820-30, что она является одним из самых надежных источников.
Если миссия, подобная LISA, не обнаружит гравитационные волны от известных двойных систем с интенсивностью и поляризацией, предсказанными общей теорией относительности, это потрясет самые основы гравитационной физики.
Поиск гравитационных волн с LISA
Изучение формирования, роста, пространственной плотности и окружения MBH также очень важно. Ученые подозревают, что в центрах большинства галактик, в том числе и нашей, существуют ГЧД с массой от одного миллиона до 100 миллионов раз больше массы нашего Солнца. Наблюдения за сигналами от слияния MBH в далеких галактиках проверят общую теорию относительности и особенно теорию черных дыр с беспрецедентной точностью.
Спасибо за лайк
Вам уже понравилась эта страница, вы можете поставить лайк только один раз!
Рябь в пространстве-времени может дать ключ к отсутствующим компонентам Вселенной
В нашей теории Вселенной есть что-то неладное. Подходит почти все, но есть ложка в космической мази, песчинка в бесконечном бутерброде. Некоторые ученые считают, что виновником может быть гравитация, и что тонкая рябь в ткани пространства-времени может помочь нам найти недостающую часть.
В новой статье, написанной в соавторстве с ученым из Чикагского университета, рассказывается, как это может работать. Опубликованный 21 декабря в Physical Review D , метод основан на обнаружении таких волн, которые были изогнуты в результате путешествия через сверхмассивные черные дыры или большие галактики на пути к Земле.
Беда в том, что что-то заставляет вселенную не только расширяться, но и расширяться со временем все быстрее и быстрее — и никто не знает, что это такое. (Поиск точной скорости — это продолжающаяся дискуссия в космологии).
Ученые выдвинули множество теорий о том, что может быть недостающим элементом. «Многие из них основаны на изменении того, как работает гравитация в больших масштабах», — сказал соавтор статьи Хосе Мария Эскиага, научный сотрудник НАСА имени Эйнштейна в Институте космологической физики им. Кавли в Чикагском университете. «Таким образом, гравитационные волны — идеальный вестник, чтобы увидеть эти возможные модификации гравитации, если они существуют».
Гравитационные волны — это рябь в самой ткани пространства-времени; с 2015 года человечество смогло уловить эту рябь с помощью обсерваторий LIGO. Всякий раз, когда где-то во Вселенной сталкиваются два массивных тяжелых объекта, они создают рябь, которая распространяется по всему пространству, неся в себе следы того, кто ее создал — возможно, две черные дыры или две нейтронные звезды сталкиваются.
В статье Эскиага и соавтор Мигель Сумалакарреги утверждают, что если такие волны столкнутся со сверхмассивной черной дырой или скоплением галактик на своем пути к Земле, характер ряби изменится. Если бы существовала разница в гравитации по сравнению с теорией Эйнштейна, свидетельство было бы встроено в эту сигнатуру.
Например, одной из теорий отсутствующей части Вселенной является существование дополнительной частицы. Такая частица, среди прочих эффектов, будет генерировать своего рода фон или «среду» вокруг крупных объектов. Если бегущая гравитационная волна ударится о сверхмассивную черную дыру, она породит волны, которые смешаются с самой гравитационной волной. В зависимости от того, с чем он столкнулся, сигнатура гравитационной волны может нести «эхо» или отображаться в зашифрованном виде.
Иллюстрация волн, смешивающихся и создающих новую отчетливую подпись. Предоставлено: Ezquiaga и Zumal ácarregui
«Это новый способ исследовать сценарии, которые раньше нельзя было протестировать, — сказал Эскиага.
В их документе излагаются условия того, как найти такие эффекты в будущих данных. Следующий запуск LIGO планируется начать в 2022 году с обновлением, которое сделает детекторы еще более чувствительными, чем они уже есть.
«Во время нашего последнего наблюдения с помощью LIGO мы наблюдали новую гравитационную волну каждые шесть дней, что удивительно. Но мы думаем, что во всей вселенной они происходят раз в пять минут», — сказал Эскиага. «В следующем обновлении мы сможем увидеть так много из них — сотни событий в год».
Увеличение числа, по его словам, повышает вероятность того, что одна или несколько волн прошли через массивный объект, и что ученые смогут проанализировать их в поисках ключей к отсутствующим компонентам.
Zumalácarregui, другой автор статьи, является ученым из Института гравитационной физики им.