Будущий детектор гравитационных волн в космосе может раскрыть тайны Вселенной

Короткий участок орбитального пути, за которым следует звездный компонент ЭМИ вокруг вращающейся черной дыры. Фото: Н. Франчини

Профессор Томас Сотириу из Центра тяжести Ноттингемского университета и Андреа Маселли, исследователь GSSI и сотрудник INFN, вместе с исследователями из SISSA и La Sapienza из Рима показали беспрецедентную точность, с которой наблюдения гравитационных волн космическим интерферометром LISA (Laser Interferometer Space Antenna) смогут обнаружить новые фундаментальные поля.

В этом новом исследовании ученые предполагают, что LISA, космический гравитационно-волновой детектор (GW), который, как ожидается, будет запущен ЕКА в 2037 году, откроет новые возможности для исследования Вселенной.

Профессор Томас Сотириу, директор Ноттингемского центра тяжести, объясняет: «Новые фундаментальные поля, и в частности скаляры, были предложены в различных сценариях: как объяснения темной материи, как причины ускоренного расширения Вселенной или как низкоэнергетические проявления последовательного и полного описания гравитации и элементарных частиц. Теперь мы показали, что LISA предложит беспрецедентные возможности в обнаружении скалярных полей, и это открывает захватывающие возможности для тестирования этих сценариев».

Наблюдения астрофизических объектов со слабыми гравитационными полями и малой кривизной пространства-времени до сих пор не предоставили никаких доказательств таких полей. Тем не менее, есть основания ожидать, что отклонения от общей теории относительности или взаимодействия между гравитацией и новыми полями будут более заметными при больших кривизнях. По этой причине обнаружение ГВ, которое открыло новое окно в режим сильного поля гравитации, представляет собой уникальную возможность обнаружить эти поля.

Инспиралы с экстремальным соотношением масс (EMRI), в которых компактный объект звездной массы, будь то черная дыра или нейтронная звезда, вдыхается в черную дыру в миллионы раз больше массы Солнца, являются одними из целевых источников LISA и обеспечивают золотую арену для исследования режима сильного поля гравитации. Меньшее тело выполняет десятки тысяч орбитальных циклов, прежде чем оно погружается в сверхмассивную черную дыру, и это приводит к длинным сигналам, которые могут позволить нам обнаружить даже самые незначительные отклонения от предсказаний теории Эйнштейна и Стандартной модели физики элементарных частиц.

Исследователи разработали новый подход к моделированию сигнала и впервые провели строгую оценку способности LISA обнаруживать существование скалярных полей в сочетании с гравитационным взаимодействием и измерять, сколько скалярного поля переносит небольшое тело EMRI. Примечательно, что этот подход является теоретико-агностическим, поскольку он не зависит ни от происхождения самого заряда, ни от природы малого тела. Анализ также показывает, что такое измерение может быть сопоставлено с сильными границами теоретических параметров, которые отмечают отклонения от общей теории относительности или Стандартной модели.

LISA будет посвящена обнаружению гравитационных волн астрофизическими источниками, будет работать в созвездии из трех спутников, вращающихся вокруг Солнца за миллионы километров друг от друга. LISA будет наблюдать гравитационные волны, излучаемые на низкой частоте, в пределах диапазона, недоступного для наземных интерферометров из-за шума окружающей среды. Видимый спектр для LISA позволит изучать новые семейства астрофизических источников, отличные от наблюдаемых Девой и LIGO, в виде ЭМИ, открывая новое окно в эволюцию компактных объектов в большом разнообразии сред нашей Вселенной.