Новое поколение приборов для регистрации гравитационных колебаний позволит провести дополнительные испытания общей теории Эйнштейна

Новости МирТесен

Исследование, проведенное специалистами международной организации ученых, проанализировало потенциал гигантского детектора гравитационных колебаний. Помимо основной функции, комплекс LISA планируется использовать для выявления новых базовых взаимодействий и повторной проверки соответствия результатов предсказаниям общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Космическая антенна с лазерным интерферометром (LISA) — это крупномасштабный проект Европейского космического агентства (ЕКА), направленный на создание мощного детектора гравитационных волн. Проект предусматривает использование трех идентичных аппаратов, расположенных в форме равностороннего треугольника со стороной 2,5 миллиона километров.

Как следует из названия, аппараты будут соединены между собой с помощью лазеров. Изменение положения аппаратов относительно друг друга можно будет установить, анализируя сдвиг фазы лазерного луча. Это позволит не только обнаружить прохождение гравитационной волны, но и измерить ее поляризацию, а также определить направление на источник. Благодаря треугольной конфигурации, точность определения направления у LISA превосходит точность существующих наземных детекторов LIGO и Virgo.

LISA сможет отслеживать гравитационные волны в миллигерцевом диапазоне, который недоступен для наземных интерферометров из-за шумов, как антропогенного, так и сейсмического происхождения, полную компенсацию которых обеспечить невозможно. Измерения охватят диапазон, позволяющий обнаружить гравитационные волны, исходящие от систем, включающих массивную черную дыру, масса которой может быть в миллионы раз больше массы Солнца, и компактный объект звездной массы – черную дыру или нейтронную звезду. Эти системы классифицируются как спиральные системы с экстремальным соотношением масс, или EMRI (extreme mass-ratio inspirals).

Сотрудничество ученых из Италии и Великобритании стало основой для исследования. опубликованном в журнале Nature Astronomy, показала, что космический интерферометр LISA может быть использован для выявления новых фундаментальных полей.

Профессор Томас Сотириу (Thomas Sotiriou, как отмечает доктор Брюс Метье, руководитель Ноттингемского центра гравитационных исследований: «Существование новых базовых сил, в частности скалярных полей, предлагалось различными теоретическими моделями для объяснения темной материи, ускоренного расширения Вселенной или же как проявление более глубокой теории, объединяющей гравитацию и элементарные частицы. Наша работа демонстрирует уникальные возможности LISA в обнаружении подобных скалярных взаимодействий».

Обобщения Общей теории относительности Эйнштейна допускают наличие скалярных гравитационных волн (характеризующихся одним числом – зарядом, для каждой точки пространства), тогда как сама теория ОТО описывает взаимодействие посредством тензорного поля (представленного n-мерной матрицей).

Анализ данных с наземных приборов, фиксирующих гравитационные эффекты от небесных тел с незначительными гравитационными воздействиями, до сих пор не выявил расхождений с предсказаниями Эйнштейна и указывает на существование исключительно тензорных колебаний пространства-времени. Тем не менее, существуют основания полагать, что отклонения от Общей теории относительности могут проявиться в условиях более сильных гравитационных взаимодействий, например, при наличии EMRI.

Ученые предложили новый метод создания модели сигнала, возникающего вследствие вращения объекта звездной массы вокруг массивного черного тела, и впервые оценили потенциал LISA для выявления скалярных гравитационных полей.

Анализ показал, что LISA может измерять скалярный заряд небольшого тела в системе EMRI с точностью, достигнувшей беспрецедентного уровня – около одного процента. Важно, что этот результат не зависит от источника скалярного поля, а также от структуры и других характеристик компактного объекта в системе EMRI, что позволяет рассматривать его как универсальную оценку потенциала интерферометра LISA в поиске новых фундаментальных полей.