Вооружившись данными о первых гравитационных волнах, зарегистрированных в прошлом году, и теоретическим анализом, физики показали, что гравитационные волны могут осциллировать между двумя различными формами, g- и f-типами гравитационных волн. Физики объясняют, что это явление аналогично тому, как нейтрино осциллируют между тремя различными ароматами – электронным, мюонным и тау. Осциллирующие гравитационные волны появляются в модифицированной теории гравитации под названием биметрическая гравитация, или «бигравитация», и физики показывают, что осцилляции можно будет обнаружить в будущих экспериментах.
Работа Кевина Макса, Морица Платшера и Юрия Смирнова была опубликована в недавнем выпуске Physical Review Letters.
Физики отмечают, что эта работа может помочь найти ответ на вопрос, «из чего состоит 95%» Вселенной. Дело в том, что ответ может лежать в модификациях гравитации, а не в новых частицах.
«Только 5% вещества относятся к тому, который, как нам кажется, мы хорошо понимаем», рассказал Смирнов на Phys.org. «Пытаясь ответить на вопрос, из чего состоит наша Вселенная (темная энергия и темная материя), большинство авторов обсуждают альтернативные модели физики частиц с новыми частицами. Однако эксперименты вроде тех, что проводятся на Большом адронном коллайдере, пока не нашли никаких экзотических частиц. Возникает вопрос: может быть, нужно пересмотреть гравитационную сторону?».
«В своей работе мы задаемся вопросом, какие сигналы мы могли бы ожидать от модифицированной гравитации. Оказывается, бигравитация обладает таким уникальным сигналом и поэтому может быть выделена из фона других теорий. Недавнее обнаружение гравитационных волн открыло для нас новое окно в темные секторы Вселенной. Независимо от того, выбрала ли природа общую теорию относительность, бигравитацию или какую-либо другую теорию, нам остается изучать лишь конкретные сигналы».
В настоящее время лучшей теорией гравитации является общая теория относительности Эйнштейна, которая использует единую метрику для описания пространства-времени. В результате гравитационные взаимодействия опосредуются одной гипотетической частицей – гравитоном – которая не имеет массы и поэтому движется со скоростью света.
Основная разница между общей теорией относительности и бигравитацией в том, что бигравитация использует две метрики, g и f. В то время как g — это физическая метрика и связывается с материей, f – это стерильная метрика и с материей не связывается. В бигравитации гравитационные взаимодействия опосредуются двумя гравитонами, один из которых имеет массу, а другой нет. Оба гравитона состоят из различных комбинаций (или суперпозиций) метрик g и f, а потому и связываются с окружающей материей по-разному. Существование двух метрик (и двух гравитонов) в рамках бигравитации в итоге приводит к явлению осцилляции.
Как объясняют физики, идея того, что может существовать гравитон с массой, родилась почти одновременно с общей теорией относительности.
«Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает одного посредника гравитационных взаимодействий (гравитон), который движется на скорости света (является безмассовым)», говорит Макс. «Уже в 1930-х годах люди пытались найти теорию, в которой посредник будет обладать массой и, следовательно, двигаться на скорости меньшей, чем световая. Задача оказалась крайне сложной и была завершена только в 2010 году. Бигравитация стала вариацией этой разработки 2010 года, только уже вмещала не одну, а две динамические метрики. Одна из них ассоциируется с материей, а другая нет; их линейная комбинация становится массивной (медленнее скорости света), а другая безмассовой (на скорости света).
Физики показали, что в рамках бигравитации, когда гравитационные волны производятся и распространяются в пространстве, они осциллируют между g- и f-типами – хотя только g-тип может быть обнаружен. Хотя предыдущие исследования показали, что подобные осцилляции могут существовать, они приводили к далеким от физики результатам, например, нарушали закон сохранения энергии. Новое исследование показало, что осцилляции могут теоретически возникать в реалистическом физическом сценарии, с участием массивного гравитона, который достаточно большой, чтобы его можно было обнаружить в ходе эксперимента.
Чтобы мы могли понять эти осцилляции, ученые сравнивают их с осцилляциями нейтрино. Хотя нейтрино бывают трех ароматов (электрон, мюон и тау), в процессе ядерных реакций обычно рождаются электронные нейтрино (или электронные антинейтрино), потому что другие слишком тяжелые, чтобы сформировать стабильное вещество. Точно так же и в бигравитации только одна метрика связывается с веществом, поэтому гравитационные волны, которые рождаются астрофизическими событиями вроде слияния черных дыр, g-типа – f-тип гравитационных волн просто не ассоциируется с веществом.
«Ключ к пониманию явления осцилляции в том, что электронные нейтрино не имеют определенной массы: они представляют собой суперпозицию трех нейтринных массовых состояний», объясняет Платшер. «Волновое уравнение, которое описывает их движение через пространство, замешает их и приведет к осцилляции».
«То же справедливо и для бигравитации: g представляет собой смесь из массивных и безмассовых гравитонов и поэтому, когда гравитационная волна проходит через Вселенную, она будет осциллировать между g- и f-типами гравитационных волн. Тем не менее мы можем измерить только первую при помощи детекторов (состоящих из материи), а вторые пройдут незамеченными. И это, если бигравитация будет корректным описанием Природы, оставит важный след на сигнале гравитационной волны, что мы и показали».
Сходство между нейтрино и гравитационными волнами сохраняется даже несмотря на то, что осцилляции нейтрино – это явление квантовой механики, описываемой волновым уравнением Шредингера, а осцилляция гравитационной волны – не квантовый эффект и описывается классическим волновым уравнением.
Один из конкретных эффектов, который прогнозируют физики, заключается в том, что осцилляции гравитационной волны приводят к большим модуляциям, чем прогнозирует ОТО. Эти результаты намечают дорожку для экспериментального обнаружения осцилляций гравитационных волн и поиска поддержки для бигравитации.
«Поскольку бигравитация очень молодая теория, еще многое предстоит сделать и изучить. В этом направлении была проделана определенная работа, но мы надеемся внести свой вклад и в будущем», говорят ученые.
