|
Новые методы проверить общую теорию относительности
|
|
|
|
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна описывает, как ткань пространства и времени, или пространство-время, искривляется в ответ на массу. Наше Солнце, например, искажает пространство вокруг нас так, что планета Земля катится вокруг Солнца, как шарик, брошенный в воронку (Земля не падает на Солнце из-за бокового импульса Земли). Теория, которая была революционной в то время, когда она была предложена в 1915 году, переформулировала гравитацию как искривление пространства-времени. Как ни фундаментальна эта теория для самой природы окружающего нас пространства, физики говорят, что это может быть не конец истории. Вместо этого они утверждают, что теории квантовой гравитации, которые пытаются объединить общую теорию относительности с квантовой физикой, хранят секреты того, как наша Вселенная работает на самых глубоких уровнях.
|
|
|
|
Одно из мест, где можно искать сигнатуры квантовой гравитации, — это мощные столкновения между черными дырами, где гравитация достигает своего пика. Черные дыры — самые плотные объекты во Вселенной — их гравитация настолько сильна, что они сжимают падающие в них предметы в макароны, похожие на макароны. Когда две черные дыры сталкиваются и сливаются в одно большее тело, они завихряют пространство-время вокруг себя, посылая рябь, называемую гравитационными волнами, во всех направлениях. LIGO, финансируемая Национальным научным фондом и управляемая Калифорнийским технологическим институтом и Массачусетским технологическим институтом, регулярно обнаруживает гравитационные волны, генерируемые слияниями черных дыр, с 2015 года (обсерватории-партнеры Virgo и KAGRA присоединились к охоте в 2017 и 2020 годах соответственно). Однако до сих пор общая теория относительности проходила испытание за испытанием без каких-либо признаков краха.
|
|
|
Теперь две новые статьи под руководством Калифорнийского технологического института, в Physical Review X и Physical Review Letters, описывают новые методы проверки общей теории относительности еще более строгими тестами. Более внимательно изучая структуру черных дыр и создаваемую ими рябь в пространстве-времени, ученые ищут признаки небольших отклонений от общей теории относительности, которые намекают на наличие квантовой гравитации. «Когда две черные дыры сливаются, образуя большую черную дыру, последняя черная дыра звенит как колокол», — объясняет Янбей Чен (доктор философии 2003 г.), профессор физики Калифорнийского технологического института и соавтор обоих исследований. «Качество звона или его тембр может отличаться от предсказаний общей теории относительности, если верны некоторые теории квантовой гравитации. Наши методы предназначены для поиска различий в качестве этой фазы звона, таких как гармоники и обертоны, например».
|
|
|
|
В первой статье, подготовленной аспирантом Калифорнийского технологического института Донгджуном Ли, сообщается о новом единственном уравнении, описывающем, как черные дыры будут звенеть в рамках определенных теорий квантовой гравитации или в том, что ученые называют режимом за пределами общей теории относительности. Работа основана на новаторском уравнении, разработанном 50 лет назад Солом Теукольским (доктор философии '73), робинсоновским профессором теоретической астрофизики Калифорнийского технологического института. Теукольский разработал сложное уравнение, чтобы лучше понять, как рябь геометрии пространства-времени распространяется вокруг черных дыр. В отличие от методов численной теории относительности, в которых суперкомпьютеры требуются для одновременного решения многих дифференциальных уравнений, относящихся к общей теории относительности, уравнение Теукольского намного проще в использовании и, как объясняет Ли, обеспечивает непосредственное физическое понимание проблемы.
|
|
|
|
«Если кто-то хочет решить все уравнения Эйнштейна для слияния черных дыр, чтобы точно смоделировать его, он должен обратиться к суперкомпьютерам», — говорит Ли. «Численные методы относительности невероятно важны для точного моделирования слияний черных дыр, и они обеспечивают важнейшую основу для интерпретации данных LIGO. что происходит в фазе рингдауна». Ли впервые смог взять уравнение Тейкольского и адаптировать его для черных дыр в режиме за пределами 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. Во второй статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters под руководством аспиранта Калифорнийского технологического института Сичжэна Ма, описывается новый способ применения уравнения Ли к фактическим данным, полученным LIGO и его партнерами в ходе их следующего наблюдения.
|
|
|
|
Этот подход к анализу данных использует серию фильтров для удаления особенностей звона черной дыры, предсказанных общей теорией относительности, чтобы можно было выявить потенциально тонкие сигнатуры, выходящие за рамки общей теории относительности. «Мы можем искать особенности, описываемые уравнением Донгджуна, в данных, которые будут собирать LIGO, Virgo и KAGRA», — говорит Ма. «Dongjun нашел способ преобразовать большой набор сложных уравнений в одно уравнение, и это чрезвычайно полезно. Это уравнение более эффективно и проще в использовании, чем методы, которые мы использовали раньше». По словам Ли, эти два исследования хорошо дополняют друг друга. «Сначала я беспокоился, что сигнатуры, которые предсказывает мое уравнение, будут скрыты под многочисленными обертонами и гармониками; к счастью, фильтры Сиженга могут удалить все эти известные особенности, что позволяет нам просто сосредоточиться на различиях», — говорит он. Чен добавил: «Работая вместе, открытия Ли и Ма могут значительно повысить способность нашего сообщества исследовать гравитацию».
|
|
|
|
Источник
|
