В следах столкновений гравитационных волн и черных дыр надеются найти "новую физику"

Проходя через сверхмассивные черные дыры или центры крупных скоплений галактик, гравитационные волны должны сохранять следы тех взаимодействий с подобными объектами, которые выходят за пределы теории относительности и других основ Стандартной модели. К такому выводу пришли американские астрономы, статью которых опубликовал научный журнал Physical Review D.

Гравитационные волны – это колебания пространства–времени, источником которых служат массивные объекты, движущиеся с меняющимся ускорением. Существование таких волн еще более ста лет назад предсказал Альберт Эйнштейн, однако зафиксировать их ученые смогли лишь в сентябре 2015 года.

Детектирование гравитационных волн — важное подтверждение общей теории относительности. За это проект LIGO в 2016 году получил премию Breakthrough Prize, а в 2017-м — уже Нобелевскую премию по физике. Сейчас обнаружением гравитационных волн занимается четыре детектора – два в США (ими занимаются специалисты проекта LIGO), по одному в Италии (VIRGO) и Японии (KAGRA). 

За последние пять лет ученые открыли несколько десятков всплесков гравитационных волн, источники которых находятся на расстоянии в сотни миллионов световых лет от Земли. В частности, физики доказали, что других измерений, кроме трех существующих, не существует, или же они не влияют на движение гравитационных волн. Также ученые выяснили, что в результате столкновений нейтронных звезд формируется большая часть запасов золота и других тяжелых элементов Вселенной.

В определенной степени этот успех стал разочарованием для космологов. Дело в том, что из-за отсутствия видимых противоречий между наблюдениями LIGO и VIRGO, теорией относительности и другими основами Стандартной модели они не могут объяснить существование темной материи, темной энергии и других явлений, выходящих за пределы этой теории.

Космологи Хосе Эскиага и Мигель Сумалакарреги выяснили, где и как можно найти возможные следы явлений, которые выходят за пределы Стандартной модели. Авторы новой статьи просчитали, как меняется структура гравитационных волн, когда они взаимодействуют с космическими объектами, которые обладают огромной массой и плотностью.

Ученым помогло то, что благодаря наблюдениям за гравитационным всплеском GW170817 и сопутствующей ему вспышкой света в галактике NGC 4993 физики точно измерили скорость движения гравитационных волн и некоторые другие их параметры. Основываясь на этом, Эскиага и Сумалакарреги просчитали, как будут меняться отдельные свойства гравитационных волн при столкновениях с массивными объектами, если на них не действуют ограничения Стандартной модели.

Эти расчеты показали, что при взаимодействиях с крупными сверхмассивными черными дырами гравитационные волны будут необычно вести себя: образовывать различные формы гравитационного "эха", искажаясь, расщепляясь на части или меняясь другим образом.

По словам ученых, если источник гравитационных волн и черная дыра расположены относительно близко к Млечному Пути, почти все подобные изменения можно уловить с помощью обновленных инструментов LIGO и VIRGO. Если же подобных свойств у волн, которые прошли через окрестности массивных объектов, нет, то можно сильно сузить поле поисков "новой физики" и узнать некоторые свойства частиц темной материи и природу темной энергии, подытожили Эскиага и Сумалакарреги.