В гравитационных волнах заметили нарушение общей теории относительности

Канадские и иранские физики обнаружили следы отклонения от общей теории относительности в сигналах гравитационных волн, зарегистрированных LIGO. Ученые заметили в «шумах» детектора эхо от многократного отражения волн при слиянии черных дыр, вероятность случайного совпадения составляет примерно один шанс из 270. Отклонение указывает на более сложное строение горизонта событий, предсказываемое квантовыми теориями, к примеру, парадоксом фаервола. Препринт работы опубликован на сайте arXiv.org, кратко о нем сообщает Nature. 

Одна из важных целей современной физики — создание теории квантовой гравитации, объединяющей общую теорию относительности и квантовую теорию поля. Обе этих теории проверены независимо друг от друга и хорошо описывают различные экспериментальные эффекты. Важной проверкой для ОТО стала фиксация гравитационных волн. 

Для состояний в сильных гравитационных полях, например, на горизонте событий черных дыр, предсказания теорий отличаются, порождая парадоксы. Один из них — информационный парадокс, связанный с потерей информации о веществе, падающем в черную дыру. Подробно прочитать о нем можно в нашей серии интервью с Эмилем Ахмедовым: «Никакого парадокса нет» и «Уйдем по направлению световой бесконечности». 

Попытки разрешить эти проблемы приводят к формулировке других необычных парадоксов. К примеру, в 2012 году Джозеф Полчински показал, что вокруг черной дыры должен существовать тонкий слой (планковской толщины) из высокоэнергетических частиц, уничтожающих все, что падает на черную дыру. Этот слой назвали фаерволом (firewall). Вывод существования этого слоя противоречит общей теории относительности, нарушая принцип эквивалентности Эйнштейна. Интересно, что буквально неделю назад за его разработку Полчински получил Breakthrough Prize — награду в области фундаментальной физики. Существование фаервола может объяснить нейтрино сверхвысоких энергий, которые фиксирует детектор IceCube.

Авторы новой работы смоделировали сигнал от слияния черных дыр с фаерволами и сравнили его с экспериментальными данными детекторов LIGO. Напомним, что международная группа физиков зарегистрировала за 2015-2016 год две гравитационных волны и одно событие-кандидат. Ученые показали, что аналог горизонта событий у «квантовых» черных дыр можно рассматривать как пару полупрозрачных зеркал. В такой модели, помимо основных колебаний возникают дополнительные эхо — следствие многократного отражения сигнала от структур фаервола. Задержка по сравнению с основным сигналом должна составлять около 0,1, 0,2 и 0,3 секунды. 

Сопоставив модель с экспериментальными данными LIGO, физики указали, что следы эхо наблюдаются при статистической значимости в 2,9 сигма. Это значительно меньше, чем принятая в физике элементарных частиц планка в 5 сигма: вероятность случайного совпадения один шанс из 270 против одного шанса из 3 500 000. Авторы соглашаются, что для надежной интерпретации данных требуется больше событий регистрации гравитационных волн.

Мы обратились к Михаилу Городецкому, руководителю группы Когерентная микрооптика и радиофотоника Российского Квантового центра и члену коллаборации LIGO, за экспертной оценкой выводов канадско-иранского коллектива. «Достоверность в 2,9 сигма не слишком большая, хотя и довольно хорошая. У меня возникают некоторые сомнения: они ищут некий периодический сигнал, который выглядит в спектре в виде резких пиков, но в отклике гравитационной антенны очень много своих шумовых пиков. Эти пики будут мешать шаблону, который ищут авторы в данных детектора. Лучше всего подождать, пока люди из проекта LIGO проверят свои данные — они хорошо знают свою антенну и все пики отклика. Опубликованных данных не вполне достаточно, чтобы все это проверить».

«Это интересная попытка и возможно за ней что-то стоит. С самого начала в LIGO рассчитывали на то, что гравитационные сигналы смогут проверить теорию относительности в таком экстремальном режиме — на горизонте событий. Все предыдущие проверки ОТО существовали только в относительно слабых гравитационных полях: отклонение перигелия Меркурия, замедление времени и так далее. На горизонте черных дыр предельно сильное гравитационное поле. Там общая теория относительности может отклоняться и должны вступать в силу некие квантовые эффекты».

Михаил пояснил, что в LIGO отклонения предполагалось искать не в виде эхо. «Когда две черных дыры сталкиваются, сначала они с ускорением начинают вращаться друг вокруг друга, и этот интервал хорошо описывается постньютоновским приближением. Последний этап, когда они почти слились и у нас получается колеблющаяся черная дыра, тоже считается по общей теории относительности. Промежуточный этап можно моделировать лишь численно. Следя за тем, как отличаются сигналы детектора от этих расчетов можно что-нибудь обнаружить. Поиск эхо — это новый интересный подход, вполне любопытно».

Ученый также отметил, что неделю назад LIGO снова начал сбор данных. «Детектор опять в рабочем режиме и снова копит данные». 

Эксперимент LIGO состоит из двух детекторов, расположенных на расстоянии свыше трех тысяч километров друг от друга — в штатах Луизиана и Вашингтон. Каждый из них представляет собой Г-образный интерферометр Майкельсона. Прибор с огромной точностью фиксирует изменения длины 4-километровых оптических плеч, по которым идет лазерный импульс. В феврале 2016 года LIGO и VIRGO заявили о первом успешно событии регистрации гравитационных волн — колебаний геометрии пространства-времени. 14 сентября 2015 года сквозь Землю прошли волны, созданные слиянием двух черных дыр c массами около 29 и 36 масс Солнца. Второе событие было зафиксировано 26 декабря 2015 года, статистическая значимость его регистрации превышает пять сигма.

Владимир Королёв