|
Слияние черных дыр как проверка симметрии Вселенной
|
|
|
|
В статье, опубликованной в четверг в журнале Physical Review Letters, ученые провели инновационное исследование, проверяющее существование зеркальной асимметрии в нашей Вселенной, изучая направленность излучения гравитационных волн при слиянии черных дыр, обнаруженную передовыми системами LIGO и Virgo.
|
|
|
|
Основа современной космологии, известная как Космологический принцип, гласит, что при наблюдении в больших масштабах Вселенная изотропна и однородна. Это означает, что все наблюдатели во Вселенной будут наблюдать примерно одни и те же структуры, независимо от того, где они находятся и куда смотрят. Как следствие, Вселенная не должна отдавать предпочтение веществу, которое вращается по часовой стрелке или против нее, но которое известно как "зеркальная симметрия".
|
|
|
|
Теория гравитации Эйнштейна, известная как Общая теория относительности, предсказывает, что массивные тела могут испускать тип излучения, известный как гравитационные волны, которые состоят из искажений пространства-времени, удаляющихся от своих источников со скоростью света. Такие волны возникают при некоторых из самых бурных событий во Вселенной, таких как вспышка сверхновой, слияние черных дыр или сам большой взрыв.
|
|
|
|
|
|
|
Как и электромагнитные волны, гравитационные волны обладают свойством, известным как поляризация, которое может быть как правосторонним, так и левосторонним. Другими словами, волна может каким-то образом "поворачиваться" по часовой стрелке или против нее в направлении своего распространения. Некоторые типы слияний черных дыр, особенно те, которые демонстрируют прецессирующую орбитальную плоскость, действительно могут приводить к преобладанию одной поляризации над другой, нарушая зеркальную симметрию.
|
|
Аналогия с футболом
|
|
|
|
Однако, если космологический принцип верен, упомянутые превышения должны быть в среднем равны нулю по всем источникам во Вселенной. Хуан Кальдерон Бустильо, ведущий автор статьи и научный сотрудник Рамона-и-Кахаля из Института физики энергии Алтая (IGFAE), объединенного центра Университета Сантьяго-де-Компостела и Хунта-де-Галисия, предлагает простую футбольную аналогию.
|
|
|
|
"В футболе есть два основных способа ударить по мячу внутренней или внешней частью стопы. Первое заставит мяч вращаться против часовой стрелки (вспомните знаменитые фрикиксы Дэвида Бекхэма), в то время как обратное движение вызовет обратное вращение (вспомните Модрича или молодую суперзвезду Ламина Ямала, которые в совершенстве владеют этим приемом).
|
|
|
|
"Однако большинство ударов, кроссов и пасов выполняются внутренней стороной стопы, так как это значительно облегчает контроль мяча, не так ли? Это приводит к асимметрии между двумя типами вращений, делая футбол "зеркально асимметричным". Если наши стандартные предположения о Вселенной и гравитации верны, этого не должно происходить с волнами, испускаемыми слияниями черных дыр во Вселенной".
|
|
Являются ли слияния черных дыр правосторонними или левосторонними?
|
|
|
|
В этом исследовании авторы измерили поляризацию волн, испускаемых 47 слияниями черных дыр, обнаруженных передовыми системами LIGO и Virgo, и получили три основных результата. Во-первых, результаты согласуются с нулевой средней поляризацией по источникам, что соответствует космологическому принципу.
|
|
|
|
Доктор Николас Санчис-Гуаль, соавтор исследования и научный сотрудник Рамон-и-Кахаль из Университета Валенсии, говорит: "Статистические данные очень ограничены, поэтому неопределенности все еще велики. Этот космический футбольный матч далек от завершения".
|
|
|
|
Во—вторых, исследование выявило только одну отдельную систему, известную как GW200129, которая окончательно нарушает зеркальную симметрию. Однако это также указывает на то, что по меньшей мере 82% изученных слияний черных дыр должны происходить именно так, даже если эти случаи не могут быть точно определены по отдельности.
|
|
|
|
Кустав Чандра, соавтор и постдок из университета Пенсильвании, добавляет: "Вполне естественно, что GW200129 нарушает зеркальную симметрию, поскольку известно, что эта система имеет прецессирующую орбитальную плоскость. Однако наш результат показывает, что многие слияния также нарушают его, что позволяет предположить, что у них также могут быть прецессирующие плоскости орбит. Эти неожиданные результаты могут иметь далеко идущие последствия, поскольку прецессия является признаком иерархического формирования черных дыр".
|
|
|
|
Наконец, как отмечает доктор Адриан дель Рио, соавтор исследования и исследователь Сезар Номбела из Мадридского университета Карлоса III, полученные результаты также представляют большой интерес для области квантовой гравитации.
|
|
|
|
"В предыдущем исследовании мы продемонстрировали, что зеркальные асимметричные слияния могут привести к суммарному излучению поляризованных фотонов из квантового вакуума посредством процесса, аналогичного излучению Хокинга. Наше исследование выявило первый жизнеспособный источник — GW200129, — который может обеспечить такой эффект", - говорит доктор дель Рио.
|
|
|
|
Подчеркивая самый интересный момент исследования, он говорит: "Уравнения Эйнштейна для гравитации, которые управляют крупномасштабным поведением Вселенной, допускают наличие левостороннего (правостороннего) источника гравитации для каждого из противоположных источников. Эти уравнения, однако, не требуют существования обоих типов источников с одинаковыми пропорциями в нашей Вселенной. Наша работа позволяет нам проверить, есть ли у гравитации (или у нашей вселенной) "скрытые" механизмы, приводящие к асимметрии."
|
|
|
|
Следовательно, этот новый метод обладает огромным потенциалом, который поможет разгадать тайну, стоящую за так называемым хаббловским напряжением.
|
|
|
|
Неожиданная параллель с физикой элементарных частиц
|
|
|
|
В другом исследовании, опубликованном на arXiv в этот вторник, авторы показали, что анализируемая наблюдаемая величина тесно связана с очень хорошо известным явлением сильного поля, известным как гравитационная отдача, или толчок.
|
|
|
|
Самсон Леонг, аспирант Китайского университета Гонконга и руководитель этого исследования, объясняет: "Слияния черных дыр излучают гравитационные волны неизотропным образом. Точно так же, как это происходит, когда вы стреляете из пистолета, это приводит к тому, что последняя черная дыра получает отдачу.
|
|
|
|
"Эта последняя черная дыра также будет вращаться. Как и в случае с футбольными мячами, это вращение может быть правосторонним или левосторонним в зависимости от направления движения. В этом втором исследовании мы обнаружили, что наблюдаемая величина, которая измеряет суммарную поляризацию волн, линейно связана с проекцией импульса вдоль направления вращения. Другими словами, мы рассматриваем спиральность последней черной дыры."
|
|
|
|
Вышеизложенное позволяет провести интересную аналогию с экспериментом, который привел к открытию нарушения четности-симметрии под действием слабого взаимодействия. В этом знаменитом эксперименте проф. Чиен-Шиунг Ву и его коллеги обнаружили, что электроны, образующиеся в результате бета-распада атомов кобальта, испускаются преимущественно "вверх", вдоль направления вращения атома кобальта, в отличие от изотропного излучения.
|
|
|
|
"В нашем случае мы делаем нечто очень похожее, проверяя, отскакивают ли черные дыры, возникающие в результате слияния черных дыр, предпочтительно "вверх" или "вниз" по отношению к направлению их вращения", - заключает доктор Кальдерон Бустильо.
|
|
|
|
Источник
|
