|
Ограничение динамики вращающихся черных дыр
|
|
|
|
В 2015 году эксперимент LIGO/Virgo, крупномасштабная исследовательская работа, базирующаяся на двух обсерваториях в США, привел к первому прямому наблюдению гравитационных волн. Эта важная веха с тех пор побудила физиков всего мира разработать новые теоретические описания динамики черных дыр, основываясь на данных, собранных коллаборацией LIGO/Virgo. Исследователи из Уппсальского университета, Оксфордского университета и Университета Монса недавно решили объяснить динамику черных дыр Керра, теоретически предсказав черные дыры, которые вращаются с постоянной скоростью, используя теорию массивных частиц с высоким спином. В их статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, конкретно предполагается, что динамика этих вращающихся черных дыр ограничена принципом калибровочной симметрии, который предполагает, что некоторые изменения параметров физической системы не будут иметь измеримого эффекта.
|
|
|
|
«Мы искали связь между вращающимися черными дырами Керра и массивными частицами с более высоким спином», — рассказал Phys.org Хенрик Йоханссон, соавтор статьи. «Другими словами, мы смоделировали черную дыру как вращающуюся фундаментальную частицу, подобно тому, как электрон рассматривается в квантовой электродинамике». Связь между черными дырами Керра и теорией более высокого спина была впервые исследована в двух отдельных статьях, опубликованных в 2019 году. Первое из этих исследований было проведено Альфредо Геварой в Институте теоретической физики «Периметр» и его сотрудниками в Европе, а второе — Минг-Чжи Чунг из Национального Тайваньского университета и его коллеги из Сеульского национального университета. Обе предыдущие работы показали, что известная метрика Керра может быть сопоставлена с бесконечным семейством амплитуд рассеяния с более высокими спинами. Эти амплитуды были впервые получены физиками Нимой Аркани-Хамедом, Цзы-Чэнь Хуангом и Ю-тином Хуангом в рамках предыдущего исследования.
|
|
|
«Хотя эти предыдущие результаты замечательны, их еще недостаточно для точного описания динамики черной дыры Керра ввиду предстоящих экспериментов, таких как телескоп Эйнштейна, LISA и Cosmic Explorer», — сказала Йоханссон. «Некоторая важная недостающая информация содержится в амплитуде комптоновского рассеяния черной дыры, которая в настоящее время неизвестна для общего вращения». В своей статье Йоханссон и его коллеги предполагают, что принцип калибровочной симметрии можно использовать для успешного ограничения динамики вращающихся черных дыр. Исследователи показали, что массивная калибровочная симметрия с более высоким спином, основанная на механизме, впервые описанном Эрнстом Штюкельбергом и позже формализованном Юрием Зиновьевым, может быть использована для воспроизведения амплитуд керровского рассеяния, о которых сообщалось в предыдущих статьях. «Мы также показали, что неизвестные амплитуды комптоновского рассеяния сильно ограничены, даже если для достижения уникальности требуются дополнительные данные», — сказала Йоханссон.
|
|
|
|
«Квантовые теории поля с более высокими спинами (КТП) печально известны своей сложностью. Даже низкоспиновые КТП, такие как случай спина 1 в Стандартной модели и случай спина 2 в Общей теории относительности, конечно, сложны, и их формулировки в основном опираются на калибровочную симметрию и симметрию диффеоморфизма (общую ковариацию). Эти две симметрии можно рассматривать как две нижние ступени бесконечной лестницы, которая называется калибровочной симметрией с более высоким спином». Хотя калибровочная симметрия не является необходимой для описания динамики массивных частиц, она оказалась ценным инструментом для описания последовательных взаимодействий. Одной из реализаций этой массивной калибровочной симметрии является так называемый механизм Хиггса. «Используя массивную калибровочную симметрию с более высоким спином для черных дыр, мы могли бы гарантировать, что спиновые степени свободы рассматриваются последовательно, и записать эффективный лагранжиан», — объяснил Йоханссон. Хорошее поведение при высоких энергиях не важно для классических черных дыр, но дает некоторую уверенность в том, что эффективная теория может также описывать определенные квантовые процессы».
|
|
|
|
Йоханссон и его коллеги были первыми, кто применил калибровочную симметрию с более высоким спином к черным дырам. Результаты их первоначальных расчетов являются многообещающими и вскоре могут проложить путь для дальнейших исследований, изучающих эту связь. «Хотя мы ожидаем, что пройдет некоторое время, прежде чем будет понята полная эффективная теория вращающихся черных дыр, мы думаем, что калибровочная симметрия с более высоким спином будет критическим компонентом в ее формулировке, подобно тому, как калибровочная симметрия и симметрия диффеоморфизма направляли теоретические разработки. рамках физики 20-го века», — сказала Йоханссон. «Полная амплитуда комптоновского рассеяния для черной дыры Керра остается загадкой, но мы возлагаем большие надежды на то, что сможем полностью ограничить ее в будущем. Это включает в себя как ее понимание для произвольных порядков вращения, так и для более высоких порядков постоянной Ньютона».
|
|
|
|
Полное ограничение амплитуды рассеяния черных дыр Керра в конечном итоге потребует тесного сотрудничества между физиками-теоретиками, изучающими массивные частицы с более высоким спином, и теми, кто пытается решить так называемое уравнение Теукольского, основанное на общей теории относительности. Недавнее сотрудничество между этими отдельными исследовательскими сообществами позволяет предположить, что вскоре в этом направлении может быть достигнут прогресс. «В наших следующих работах мы также хотели бы продолжить изучение связи между черными дырами и их квантовыми свойствами, которые напоминают элементарные частицы», — добавила Йоханссон.
|
|
|
|
Источник
|
