|
Гравитационные волны могут обнаружить работу варп-привода
|
|
|
|
Много ли мы на самом деле знаем о том, что еще есть во Вселенной? Давайте рассмотрим необычный пример. Если бы по нашей галактике летали инопланетяне с технологией варп-двигателей, которую мы часто видим в научно-фантастических сериалах, как бы выглядел сигнал от их кораблей? Возможно, удивительно, но наше исследование показывает, что у нас есть инструменты, позволяющие ответить на этот вопрос, независимо от того, существуют ли такие вещи на самом деле.
|
|
|
|
Телескопы, которые используют свет для исследования космоса, теперь могут видеть почти на грани возможного. Каждая новая частота, которую мы исследовали — от гамма- и рентгеновских лучей до инфракрасных и радио — открывала для нас что-то новое и неожиданное.
|
|
|
|
В 2015 году был включен новый вид телескопа - детектор под названием Ligo, который ищет не световые волны, а гравитационные, которые представляют собой невидимую "рябь" в пространстве и времени. Природа снова удивила нас сигналом, обозначенным как GW150914, от пары черных дыр. Масса каждой из них примерно в тридцать раз превышает массу нашего Солнца, и они слились в результате сильного столкновения на расстоянии 1,4 миллиарда световых лет друг от друга.
|
|
|
|
С тех пор гравитационные волны стали новым важным инструментом для ученых, изучающих Вселенную. Но мы все еще находимся в самом начале наших исследований. Какие сигналы мы можем увидеть в данных, и изменят ли они наше представление о физике космоса?
|
|
|
Однако есть и более практичный вопрос, который часто упускается из виду: если что—то существует, как мы это узнаем?
|
|
От научной фантастики к серьезной науке
|
|
|
|
Возможно, вы видели варп-двигатели в таких сериалах, как "Звездный путь". Варп-двигатель - это гипотетическая форма технологии, которая сжимает пространство перед кораблем и расширяет его сзади. Хотя ничто не может двигаться быстрее скорости света, в варп-двигателе мы можем схитрить, сократив расстояние. Таким образом, время, необходимое для перехода из пункта А в пункт В, меньше, чем время, затрачиваемое светом на другой несжатый путь.
|
|
|
|
Переход от научной фантастики к реальной науке был совершен физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году, когда он вдохновился идеей смоделировать варп-двигатель, используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна.
|
|
|
|
Общая теория относительности устанавливает взаимосвязь между кривизной пространства-времени (гравитацией) и распределением вещества или энергии (субстанции). Обычно мы начинаем с определения "субстанции". Например, мы знаем, что у нас есть сгусток материи, который представляет собой планету или звезду. Затем мы вводим эти данные в уравнения, чтобы определить, как искривляется пространство-время. И то, как оно искривляется, говорит нам о силе тяжести, которую мы измерили бы вокруг объекта.
|
|
|
|
Вы могли бы сказать, что это именно то, что делает теория тяготения Исаака Ньютона — устанавливает связь между массой объекта и силой притяжения, которую он оказывает. И вы были бы правы. Но концепция искривления пространства-времени порождает гораздо более широкий спектр явлений, чем простая сила. Это создает своего рода отталкивающую гравитацию, которая заставляет нашу вселенную расширяться, создает замедление времени вокруг массивных объектов и гравитационные волны в пространстве—времени и — по крайней мере, теоретически - делает возможными варп-двигатели.
|
|
|
|
Алькубьерре подошел к своей проблеме с другой стороны, чем обычно. Он знал, какого рода искривление пространства-времени ему нужно. Это было такое искривление, при котором объект мог перемещаться по области искривленного пространства-времени. Итак, он работал в обратном направлении, чтобы определить, какая конфигурация материи потребуется для создания этого. Это было не естественное решение уравнений, а скорее что-то "сделанное на заказ". Хотя это было не совсем то, что он бы заказал. Он обнаружил, что ему нужна экзотическая материя, нечто с отрицательной плотностью энергии, чтобы правильно искривлять пространство.
|
|
|
|
Физики, как правило, относятся к экзотическим материям скептически, и это справедливо. Хотя математически можно описать материал с отрицательной энергией, почти все, что мы знаем, обладает положительной энергией. Но в квантовой физике мы наблюдали, что могут происходить небольшие временные нарушения энергетической положительности, и поэтому "отсутствие отрицательной энергии" не может быть абсолютным фундаментальным законом.
|
|
От варп-двигателей к волнам
|
|
|
|
Учитывая предложенную Алькубьерре модель пространства—времени с искривленным двигателем, мы можем начать отвечать на наш первоначальный вопрос - как будет выглядеть сигнал от него?
|
|
|
|
Одним из краеугольных камней современных наблюдений за гравитационными волнами и одним из их величайших достижений является способность точно предсказывать формы волн на основе физических сценариев с помощью инструмента под названием "численная теория относительности".
|
|
|
|
Этот инструмент важен по двум причинам. Во-первых, данные, которые мы получаем от детекторов, все еще очень зашумлены, а это значит, что нам часто приходится примерно представлять, как выглядит сигнал, чтобы иметь возможность извлечь его из потока данных. И во-вторых, даже если сигнал настолько громкий, что выделяется на фоне шума, нам нужна модель, чтобы его интерпретировать. То есть нам нужно смоделировать множество различных типов событий, чтобы мы могли сопоставить сигнал с его типом; в противном случае у нас может возникнуть соблазн отмахнуться от него как от шума или ошибочно назвать слиянием черных дыр.
|
|
|
|
Одна из проблем пространства-времени с варп-двигателем заключается в том, что он естественным образом не создает гравитационных волн, пока не запустится или не остановится. Нашей идеей было изучить, что произойдет, когда варп-двигатель остановится, особенно в случае, если что-то пойдет не так. Предположим, что защитное поле варп-двигателя разрушилось (основная сюжетная линия в научной фантастике); предположительно, произошел бы взрывной выброс как экзотической материи, так и гравитационных волн. Это то, что мы можем смоделировать, и смоделировали, используя численную теорию относительности.
|
|
|
|
Мы обнаружили, что коллапс пузыря искривляющих двигателей действительно является чрезвычайно сильным событием. Огромное количество энергии, необходимое для искривления пространства-времени, высвобождается как в виде гравитационных волн, так и в виде волн положительной и отрицательной энергии материи. К сожалению, это, скорее всего, конец света для экипажа корабля, который будет разорван на части приливными силами.
|
|
|
|
Мы знали, что будет излучаться сигнал гравитационной волны; любое беспорядочное движение материи создает такую волну. Но мы не могли предсказать амплитуду и частоту, а также то, как они будут зависеть от размера искаженной области.
|
|
|
|
Мы были удивлены, обнаружив, что для корабля размером в 1 км амплитуда сигнала была бы значительной для любого подобного события в нашей галактике и даже за ее пределами. На расстоянии 1 мегапарсек (чуть дальше, чем галактика Андромеда) сигнал аналогичен чувствительности нашего текущего детектора. Однако частота волн примерно в тысячу раз превышает диапазон, на который они смотрят.
|
|
|
|
Мы должны быть честными и сказать, что мы не можем утверждать, что наш сигнал является окончательным сигналом варп-двигателя. В нашей модели нам пришлось сделать довольно много конкретных решений. И наши гипотетические инопланетяне, возможно, приняли другие решения. Но в качестве принципиального доказательства это показывает, что случаи, выходящие за рамки стандартных астрофизических событий, могут быть смоделированы и могут иметь отличительные формы, которые мы сможем обнаружить в будущих детекторах.
|
|
|
|
Наша работа также напоминает нам о том, что по сравнению с изучением световых волн мы все еще находимся на стадии Галилея, фотографирующего Вселенную в узком диапазоне частот видимого света. Нам еще предстоит исследовать целый спектр частот гравитационных волн, которые будут чувствительны к целому ряду явлений, происходящих в пространстве и времени.
|
|
|
|
Источник
|
