Физики запретили гравитации разгоняться выше 1,4 скорости света

По результатам всего трех экспериментов LIGO ученые определили, что скорость гравитационных волн лежит в интервале от 0,55 до 1,42 скоростей света. Статья опубликована в Physical Review Letters.

В Общей теории относительности скорость распространения гравитационных волн (как и вообще всех возмущений, переносящих информацию) ограничивается сверху скоростью света. С другой стороны, скорость гравитации должна хотя бы немного превышать скорость света, чтобы предотвратить гравитационное черенковское излучение (это странное явление теоретически предсказали в 2001 году). Кроме того, существует множество альтернативных теорий гравитации, в которых ее скорость может принимать самые неожиданные значения (впрочем, большинство ученых относится к этим теориям скептически). Поэтому очень важно точно измерить скорость гравитации.

Однако сделать это на данный момент сложно из-за небольшого количества экспериментальных данных. Впервые гравитационные волны были зарегистрированы в сентябре 2015 года коллаборацией LIGO. LIGO состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится в Ливингстоне (штат Луизиана), а другая в Хэнфорде (штат Вашингтон). Основным элементом каждой обсерватории является модифицированный интерферометр Майкельсона, который может почувствовать изменение длины плеч при прохождении гравитационной волны. На момент подготовки статьи коллаборация зарегистрировала всего три гравитационных волны, испущенных при слиянии черных дыр.

Для получения ограничений на скорость ученые использовали тот факт, что обсерватории LIGO разнесены на три тысячи километров (что соответствует десяти световым миллисекундам), из-за чего сигналы регистрируются ими с небольшой разницей во времени. Эта задержка имеет некоторое распределение вероятности, зависящее от скорости гравитации. С помощью теоремы Байеса из него можно найти обратное распределение (скорости от задержки). Для априорного распределения скорости физики рассмотрели две гипотезы: равномерное распределение в интервалах от 0,01 до 100 и от 1 до 100 скоростей света. Ученые отмечают, что выбор какой-то одной гипотезы не должен сказаться на определении верхней границы.

Применив этот метод для данных трех измерений LIGO, физики получили распределение вероятности для скорости гравитационных волн. Оказалось, что с вероятностью девяносто процентов ее значение лежит в интервале от 0,55 до 1,42 скоростей света (от 1,0 до 1,4 в случае второй гипотезы). Такая низкая точность обусловлена небольшим количеством данных. При большем числе детекторов или большем числе измерений на LIGO можно было бы очертить интервал возможных значений гораздо точнее — например, использование данных всего пяти экспериментов сети LIGO-Virgo-Kagra обеспечило бы точность в один процент от скорости света.

Стоит заметить, что ограничения на скорость гравитации, полученные в данной статье, скоро будут значительно уточнены, поскольку в этот понедельник было объявлено об одновременной регистрации гравитационной волны и гамма-излучения от слияния двух нейтронных звезд. Разница во времени регистрации этих двух типов излучения составила около 1,7 секунд, а сами звезды находятся на расстоянии около 40 мегапарсек, что позволяет рассчитать возможное отклонение скорости гравитации от скорости света: отношение этих скоростей не может отличаться от единицы больше, чем на 3×10⁻¹⁵.

Тем не менее, статья ученых тоже представляет интерес, поскольку в ней они впервые установили нижнюю границу для скорости гравитации. Кроме того, при большем числе измерений разработанный ими подход позволит получить независимые оценки на скорость распространения гравитационных волн.

Подробнее о гравитационных волнах можно прочитать в наших материалах — «На гребне метрического тензора» и «За волной волна».

Дмитрий Трунин