Изучение возможности исследования фундаментальных симметрий пространства-времени с помощью гравитационно-волновой памяти

Как предсказывает общая теория относительности, прохождение гравитационных волн может оставить измеримое изменение в относительном положении объектов. Это физическое явление, известное как гравитационно-волновая память, потенциально может быть использовано для изучения как гравитационных волн, так и пространства-времени.

Исследователи из Научного института Гран-Сассо (GSSI) и Международной школы перспективных исследований (SISSA) недавно провели исследование, изучающее возможность использования памяти гравитационных волн для измерения симметрий пространства-времени, фундаментальных свойств пространства-времени, которые остаются неизменными после определенных преобразований. Их статья, опубликовано в Письма физического осмотрапредполагает, что эти симметрии можно исследовать посредством наблюдения смещения и спиновой памяти.

«Долгое время меня интересовал феномен гравитационно-волновой памяти и связь связанной с ней 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 я работал над докторской диссертацией, когда обсуждал гравитационно-волновую память. Затем я узнал о так называемом «инфракрасном треугольнике», который связывает мягкую теорему с гравитационно-волновой памятью и симметриями пространства-времени на бесконечности от источников гравитационных волн».

Теорема Вайнберга о мягком гравитоне и «инфракрасный треугольник» — это математические формулы, описывающие одно и то же физическое явление: гравитационно-волновую память. В рамках своего недавнего исследования Гончаров и его коллеги решили изучить возможность использования гравитационно-волновой памяти для исследования симметрий пространства-времени.

«Это явление играет роль в продолжающихся попытках описать столетнюю, непотопляемую и тем не менее несовместимую с микроскопическим миром теорию гравитации Эйнштейна — Общую теорию относительности — как квантовую теорию поля на асимптотической границе пространства-времени», — сказал Гончаров.

«Этот подход к объединению в физике 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».

Когда они проанализировали предыдущую литературу в этой области, исследователи обнаружили, что обсуждалось все большее число далеких симметрий пространства-времени, однако было неясно, какие из этих симметрий и соответствующие термины памяти существуют в природе. В то время как 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 эти симметрии пространства-времени, была центральной в нашем исследовании», — пояснил Гончаров. «Другой аспект заключается в том, что я и профессор Ян Хармс являемся членами коллаборации Einstein Telescope, для которой было важно исследовать перспективы наблюдений гравитационно-волновой памяти. Einstein Telescope — это европейский наземный детектор гравитационных волн следующего поколения, запуск которого запланирован на 2030-е годы».

До сих пор исследователи не представили общепринятый подход к измерению симметрий пространства-времени посредством наблюдения эффектов памяти гравитационных волн. Недавняя статья Гончарова и его коллег была направлена ​​на заполнение этого очевидного пробела в литературе.

«Было много важных предыдущих работ, посвященных (a) предсказанию того, когда и с помощью каких инструментов мы сможем обнаружить различные элементы памяти гравитационных волн, (b) тому, как вычислять эффекты памяти гравитационных волн аналитически или с использованием численной теории относительности, и (c) тому, как различные модели симметрий пространства-времени приводят к элементам памяти гравитационных волн», — сказал Гончаров. «Однако обсуждение симметрий пространства-времени на основе наблюдаемых эффектов памяти казалось пробелом в литературе».

Недавнюю работу этих исследователей можно рассматривать как доказательство принципа. В своей статье они вводят новые наблюдательные тесты, которые можно использовать для исследования симметрий пространства-времени, а также описывают потенциальные ограничения предлагаемого ими подхода, которые могут быть рассмотрены в будущем.

В целом, их исследование предполагает, что пул тестов общей теории относительности может быть расширен. Кроме того, оно предоставляет некоторые полезные расчеты, которые могут быть выполнены с использованием данных, собранных различными детекторами гравитационных волн.

Гончаров и его коллеги надеются, что их статья откроет дальнейшие дискуссии о симметриях пространства-времени и гравитационно-волновой памяти среди других в их исследовательском сообществе. Эти дискуссии потенциально могут проложить путь к объединению различных физических теорий.

«В настоящее время вместе с Шэрон Томсон (новым аспирантом в моем нынешнем институте AEI в Ганновере, Германия) и доктором Рутгером ван Хаастереном я начинаю поиск гравитационно-волновой памяти с помощью пульсарных синхронизирующих массивов (PTA)».

PTA — это инструменты для астрономических наблюдений, которые собирают высокостабильные и регулярные сигналы, исходящие от пульсаров (т. е. быстро вращающихся нейтронных звезд), используя радиотелескопы на Земле. Эти нейтронные звезды ведут себя как высокоточные 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, по-видимому, постепенно улавливают совместный гул медленно закручивающихся сверхмассивных двойных черных дыр в близлежащей Вселенной. Сигнал дает медленные изменения во времени прибытия импульсов, которые наиболее заметны на временных масштабах от нескольких лет до десятилетий», — добавил Гончаров.

«Одно выдающееся слияние сверхмассивных двойных черных дыр в соседней галактике может вызвать всплеск гравитационной волны с памятью, обнаруживаемый PTA. Хотя такие всплески очень редки, мы надеемся извлечь некоторую полезную информацию из данных, установив ограничения на их существование».