Исследование симметрий пространства-времени с помощью гравитационных волн

Выбор модели между исходными симметриями BMS (пунктирные линии) и расширенными симметриями BMS (сплошные линии) с помощью телескопа Эйнштейна (ET) и Cosmic Explorer (CE). Доказательства моделируемой группы симметрии (логарифмический фактор Байеса) показаны в зависимости от времени наблюдения. Автор: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.241401

Как предсказывает общая теория относительности, прохождение гравитационных волн может привести к измеримым изменениям в относительных положениях объектов. Это физическое явление, известное как гравитационно-волновая память, потенциально может быть использовано для изучения как гравитационных волн, так и пространства-времени.

«В течение долгого времени меня интересовал феномен гравитационно-волновой памяти и связь связанной с ним физики низких энергий с квантовой механикой», — рассказал Phys.org Борис Гончаров, соавтор статьи. «Впервые я услышал о теореме Вайнберга о мягком гравитоне от профессора Пола Ласки из Университета Монаша в Австралии, когда работал над докторской диссертацией, когда обсуждал гравитационно-волновую память. Затем я узнал о так называемом «инфракрасном треугольнике», который соединяет мягкую теорему с гравитационно-волновая память и симметрия пространства-времени на бесконечности от источников гравитационных волн».

Теорема Вайнберга о мягком гравитоне и «инфракрасный треугольник» представляют собой математические формулировки, описывающие один и тот же физический феномен: гравитационно-волновую память. В рамках своего недавнего исследования Гончаров и его коллеги решили изучить возможность использования гравитационно-волновой памяти для исследования симметрии пространства-времени.

«Это явление играет роль в продолжающейся попытке описать столетнюю, непотопляемую и все же несовместимую с микроскопическим миром теорию гравитации Эйнштейна — общую теорию относительности — как квантовую теорию поля на асимптотической границе пространства-времени», — Гончаров сказал.

«Такой подход к объединению физики кажется мне существенным и многообещающим; я нахожу его очень интересным. Наш конкретный проект возник во время обсуждения новых достижений в этой области с профессором Лорой Донней, соавтором публикации».

Изучив предыдущую литературу в этой области, исследователи обнаружили, что обсуждается растущее число удаленных пространственно-временных симметрий, однако неясно, какие из этих симметрий и соответствующие термины памяти существуют в природе. Хотя несколько физиков исследовали возможность обнаружения гравитационно-волновой памяти, Гончаров и его коллеги не были уверены в том, какую физику можно ограничить с помощью их измерений.

«Идея о том, что мы можем проверить эту пространственно-временную симметрию, была центральной в нашем исследовании», — объяснил Гончаров. «Другой аспект заключается в том, что я и профессор Ян Хармс являемся членами коллаборации телескопа Эйнштейна, для которой было важно исследовать наблюдательные перспективы памяти гравитационных волн. Телескоп Эйнштейна — это планируемый европейский наземный детектор гравитационных волн следующего поколения. на 2030-е годы».

До сих пор исследователи еще не представили традиционный подход к измерению симметрии пространства-времени посредством наблюдения эффектов гравитационно-волновой памяти. Недавняя статья Гончарова и его коллег была направлена на восполнение этого очевидного пробела в литературе.

«До этого было много важной работы, направленной на то, чтобы (а) предсказать, когда и с помощью каких инструментов мы сможем обнаружить различные термины гравитационно-волновой памяти, (б) как вычислить эффекты гравитационно-волновой памяти аналитически или с использованием численной теории относительности, и ( в) как различные модели симметрии пространства-времени дают условия гравитационно-волновой памяти», — сказал Гончаров. «Однако обсуждение симметрии пространства-времени, основанное на наблюдаемых эффектах памяти, казалось пробелом в литературе».

Недавнюю работу этих исследователей можно рассматривать как доказательство принципа. В своей статье они представляют новые наблюдательные тесты, которые можно использовать для исследования симметрии пространства-времени, а также обрисовывают потенциальные ограничения предлагаемого ими подхода, которые можно будет устранить в будущем.

В целом их исследование предполагает, что набор тестов общей теории относительности может быть расширен. Кроме того, он предоставляет некоторые полезные расчеты, которые можно выполнить с использованием данных, собранных различными детекторами гравитационных волн.

Гончаров и его коллеги надеются, что их статья положит начало дальнейшим дискуссиям о пространственно-временной симметрии и гравитационно-волновой памяти среди других в их исследовательском сообществе. Эти дискуссии потенциально могут проложить путь к объединению различных физических теорий.

«В настоящий момент вместе с Шэрон Томсон (новая аспирантка в моем нынешнем институте AEI в Ганновере, Германия) и доктором Рутгером ван Хаастереном я начинаю поиск гравитационно-волновой памяти с помощью Pulsar Timing Arrays (PTA).)"

PTA — это инструменты астрономических наблюдений, которые собирают высокостабильные и регулярные сигналы, исходящие от пульсаров (т. е. быстро вращающихся нейтронных звезд), с использованием радиотелескопов на Земле. Эти нейтронные звезды ведут себя как очень точные часы, поскольку они достаточно чувствительны, чтобы улавливать задержки и опережения радиоимпульсов, возникающие в результате распространения гравитационных волн по Млечному Пути.

«PTA — это детекторы галактического масштаба, которые в настоящее время, похоже, постепенно улавливают совместный гул медленно спиралевидных сверхмассивных двойных черных дыр в соседней Вселенной. Сигнал дает медленные изменения времени прибытия импульсов, которые наиболее заметны на временных масштабах от нескольких лет до десятилетия", - добавил Гончаров.

«Одно выдающееся слияние сверхмассивных двойных черных дыр в соседней галактике может вызвать всплеск гравитационных волн с памятью, который можно обнаружить с помощью PTA. Хотя такие всплески очень редки, мы надеемся извлечь некоторую полезную информацию из данных, установив ограничения на их существование.."

Больше информации: Boris Goncharov et al, Inferring Fundamental Spacetime Symmetries with Gravitational-Wave Memory: From LISA to the Einstein Telescope, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.241401. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2310.10718