На основе анализа 47 слияний черных дыр, зарегистрированных детекторами гравитационных волн LIGO и Virgo, и рассмотрев траектории распространения гравитационных волн, ученые в новом исследовании проверили предположение о «зеркальной» симметрии Вселенной. Эта гипотеза утверждает, что физические законы остаются неизменными при отражении системы в зеркале, то есть при «обмене» левой и правой сторон.
Современная космология базируется на фундаментальном космологическом принципе, утверждающем, что на огромных масштабах Вселенная однородна и изотропна. Это подразумевает, что для любого наблюдателя, независимо от его расположения, космос предстанет одинаковым во всех направлениях. Однако, некоторые астрономические открытия ставят это утверждение под вопрос.
В связи с этим возникла гипотеза зеркальной симметрии, также известная как зеркальная инвариантность, которая предполагает, что процессы и законы, действующие во Вселенной, останутся неизменными даже при их зеркальном отражении. Несмотря на то, что эта гипотеза открывает интересные теоретические возможности, убедительных доказательств в ее пользу пока не обнаружено.
Для оценки того, сохраняется ли зеркальная симметрия в самых масштабных космических процессах, международная команда ученых во главе с Хуаном Кальдероном Бустийо из Галисийского института физики высоких энергий (Испания) изучила гравитационные волны — это колебания гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам и удаляющиеся от массивных объектов со скоростью света.
Гравитационные возмущения пространства-времени возникают из-за перемещения одного тела в гравитационном поле другого. Самые мощные волны генерируются при слиянии черных дыр или нейтронных звезд. В 2016 году коллаборации LIGO и Virgo объявили об обнаружении этих волн. Это открытие стало подтверждением одного из основных предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна и послужило основой для формирования гравитационно-волновой астрономии.
После изучения данных, полученных с гравитационных обсерваторий LIGO и Virgo, в ходе анализа 47 столкновений черных дыр, исследователи определили, как гравитационные волны изменяют свою форму при приближении к детекторам, и выяснили, можно ли рассматривать это как подобие вращения в ту или иную сторону).
Результаты исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, анализ данных продемонстрировал отсутствие глобального нарушения симметрии, хотя некоторые случаи явно свидетельствуют о «лево»- или «право»-ориентированных событиях, то есть о поляризации).
Полученные данные свидетельствуют о том, что средний показатель поляризации гравитационных волн практически равен нулю. Это позволяет ученым сделать вывод об отсутствии заметного смещения в одну из сторон – либо влево, либо вправо – в масштабах всей Вселенной, что указывает на сохранение зеркальной симметрии.
Наибольшее удивление ученых вызвал тот факт, что более 80 процентов изученных ими событий (а именно, слияний черных дыр) демонстрировали «зеркальную асимметрию». Это означает, что при наблюдении за одним слиянием вероятность зафиксировать вращение в определенном направлении высока. Однако в действительности различные направления вращения встречаются с одинаковой частотой, взаимно компенсируя друг друга и в конечном итоге нивелируя общую асимметрию.
По мнению ученых, если бы все гравитационные волны, порожденные наиболее интенсивными космическими явлениями, распространялись в одном направлении, то во Вселенной проявилась бы всеобщая зеркальная неоднородность.
«Проведенное нами исследование демонстрирует, что, несмотря на то, что один из рассмотренных источников (GW200129) проявил отклонение от зеркальной симметрии, в целом по всей выборке ее отсутствие сохраняется. Этот результат соответствует космологическому принципу, однако в то же время свидетельствует о наличии любопытных особенностей в некоторых случаях слияний», — объяснил Бустийо.
Несмотря на то, что «однонаправленные» слияния черных дыр имеют место, их число во Вселенной крайне мало. Специалисты подчеркивают, что для формирования окончательных заключений еще рано, а дополнительные исследования позволят установить, не маскирует ли за кажущимся случайным распределением фундаментальное нарушение зеркальной симметрии (или же Вселенная сохраняет нейтральность.