LIGO не нашла векторные и скалярные гравитационные волны

Ученые из коллаборации LIGO/Virgo заново проанализировали данные, собранные гравитационными детекторами за период с сентября 2015 по февраль 2016 года, чтобы найти среди них векторные или скалярные гравитационные волны. Некоторые альтернативные теории гравитации предсказывают, что такие волны могут излучаться пульсарами, входящими в состав двойных систем. Тем не менее, ученые установили, что если даже такие волны и есть, их напряженность не превышает 10⁻²⁶. Статья опубликована в Physical Review Letters.

В Общей теории относительности возможны только тензорные гравитационные волны. В то время как электромагнитные волны — векторные, то есть их свойства описываются вектором поляризации, то для описания гравитационных волн требуется тензоры. Если вектор можно представить как столбец чисел, то тензор — как двумерную, трехмерную или n-мерную матрицу, каждой ячейке которой соответствует определенное значение. Кроме того, компоненты тензора должны определенным образом изменяться при преобразованиях координат; не каждая матрица является тензором, также как не каждый столбец чисел описывает вектор. Метрический тензор описывает состояние метрики пространства-времени, колебания которой и есть гравитационные волны.

С другой стороны, некоторые теории, обобщающие ОТО, предполагают, что возмущения метрики могут носить не только тензорный, но и векторный или даже скалярный (то есть характеризующийся только одной цифрой для каждой точки пространства) характер. Самая общая теория гравитации допускает существование пяти принципиально различимых поляризаций гравитационных волн, только две из которых отвечают тензорным волнам. Подробнее про поляризации волн можно прочитать в нашем материале «На гребне метрического тензора». Таким образом, существование не-тензорных гравитационных волн явно будет указывать на «новую физику», а потому их поиск представляет большой интерес для ученых.

До недавнего времени ученые могли наблюдать гравитационные волны только косвенно, и ограничения на не-тензорную природу волн можно было получить только анализируя отклонения в поведении астрофизических объектов. Например, если бы пульсары, входящие в состав двойных систем, излучали такие волны, их скорость вращения постепенно бы уменьшалась, расходясь с предсказаниями ОТО. Действительно, косвенные ограничения, основанные на наблюдениях за пульсарами, были рассчитаны в ряде статей. Однако в 2016 году у физиков появилась возможность регистрировать гравитационные волны непосредственно с помощью лазерно-интерференционной обсерватории LIGO. На данный момент обсерватория зарегистрировала уже шесть гравитационных волн, также с ее помощью были установлены ограничения на разницу скорости света и скорости гравитации. В августе прошлого года к LIGO присоединилась европейская гравитационная лаборатория Virgo.

Правда, все предыдущие поиски гравитационных волн с помощью детекторов LIGO были направлены только на волны с тензорной поляризацией. Поэтому если бы пульсары во время поисков излучали векторные или скалярные волны, такие волны остались бы незамеченными. В новой статье ученые из коллаборации LIGO и Virgo заново проанализировали данные, собранные между 11 сентября 2015 года и 19 января 2016, чтобы найти среди них не-тензорные волны (точнее, чтобы доказать, что их не было).

Для этого ученые искали в данных детекторов проявления гравитационных волн, которые мог бы излучать один из двухсот отслеживаемых пульсаров. Частота гравитационных волн, излучаемых пульсаром, должна совпадать с удвоенной частотой его вращения, которая хорошо известна. Исходя из этого факта, исследователи построили несколько Байесовских гипотез, предполагающих, что пульсар излучает гравитационные волны с одной из пяти возможных поляризаций, и рассчитали, как на такие волны отреагировал бы детектор. Поскольку в течение всего промежутка наблюдения LIGO не зарегистрировала подходящих сигналов, это позволило им определить максимально возможные напряженности (strain) гравитационных волн. События GW150914 и GW151226 ученые исключили, поскольку они отвечали слиянию двух черных дыр. В результате рассчитанные физиками значения напряженностей составили около 10⁻²⁶ (авторы пишут, что это безразмерная величина) для волн всех трех типов.

Ограничения, полученные учеными, не зависят от того, какая модель гравитации используется для предсказания существования не-тензорных гравитационных волн. Тем не менее, эти ограничения можно пересчитать в ограничения на параметры таких моделей — подобно другим невозможным в ОТО и не наблюдаемым на практике эффектам.

В ноябре прошлого года ученые рассчитали ограничения на скорость гравитации всего по четырем измерениям гравитационных волн, зарегистрированных LIGO. Также мы писали о том, как в августе того же года ученые практически одновременно зарегистрировали гравитационную и электромагнитную компоненту излучения, пришедшего от двух сливающихся нейтронных звезд. Это событие наложило сильные ограничения на параметры альтернативных теорий гравитации.

Дмитрий Трунин