Гравитационные волны подтвердили четырехмерность Вселенной с точностью до 0,1

Американские физики уточнили размерность пространства-времени, сравнив расстояние до источника, рассчитанное по затуханию гравитационных волн и по красному смещению электромагнитного излучения. Ученые выполнили такие расчеты для события GW170817 и выяснили, что размерность нашего пространства-времени примерно равна D ≈ 4,0 ± 0,1. Кроме того, они установили нижнюю границу на время жизни гравитона, которая составила около 450 миллионов лет. Препринт статьи выложен на сайте arXiv.org.

Обновлено: в июле 2018 года статья была опубликована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Общая теория относительности и Стандартная модель построены в предположении, что мы живем в четырехмерном пространстве-времени. Точнее, в (3+1)-мерном: 3 пространственных измерения и одно временно́е. С другой стороны, ученые склонны сомневаться в самых элементарных утверждениях. Может быть, размерность нашего пространства-времени не в точности равна четырем, а просто очень близка к этому значению? В самом деле, существуют теории, в которых наше пространство-время вложено в пространства с большей размерностью. Поэтому, вообще говоря, четырехмерность нашего мира нужно доказывать, а не принимать на веру.

Группа физиков под руководством Дэвида Сперджела (David Spergel) установила точные ограничения на размерность нашего пространства-времени, анализируя событие GW170817 — практически одновременно пришедшие на Землю гравитационные и электромагнитные волны, излученные во время слияния двух нейтронных звезд. С одной стороны, расстояние до источника волн можно определить по красному смещению электромагнитной компоненты. С другой стороны, его можно рассчитать по затуханию гравитационных волн. Очевидно, оба этих расстояния должны совпасть, что накладывает ограничения на отличие скорости затухания от скорости, предсказанной ОТО. Стоит заметить, что дополнительную погрешность в расстояние, определенное по красному смещению, вносит тот факт, что значения постоянной Хаббла, измеренные по скорости разбегания галактик и по флуктуациям реликтового излучения, не сходятся друг с другом. В данной статье ученые на всякий случай выполнили расчеты для обоих значений, однако погрешность экспериментальных данных все равно перевешивала эту разницу.

В Общей теории относительности напряженность гравитационных волн спадает обратно пропорционально первой степени расстояния от источника: h ~ 1/r. Однако в теориях с бо́льшим количеством измерений этот закон модифицируется, и затухание происходит быстрее: h ~ 1/r^γ, где γ = (D − 2)/2, а D — количество измерений. Получается, что энергия волны как будто «утекает» в дополнительные измерения. Вычисляя «электромагнитное» и «гравитационное» расстояние до нейтронных звезд, физики определили, что степень зависимости γ ≈ 1,00 ± 0,03, то есть размерность нашего пространства D ≈ 4,0 ± 0,1.

С другой стороны, в еще одном типе альтернативных теорий гравитация экранируется — на маленьких расстояниях она ведет себя так же, как в четырехмерной теории, а на больших напоминает D-мерную. Учитывая ограничения события GW170817, физики определили минимальный радиус экранирования таких теорий — он составил около двадцати мегапарсек. При этом собственно источник волн находится в галактике NGC 4993 на расстоянии около сорока мегапарсек.

Наконец, дополнительное затухание гравитационных волн может возникнуть из-за того, что гравитоны являются нестабильными частицами и распадаются за время путешествия от источника до детектора. Отталкиваясь от этого предположения, физики вычислили нижнее ограничение на время жизни гравитона. Оказалось, что оно не может быть меньше 4,5×10⁸ лет.

Одновременная регистрация гравитационной и электромагнитной компоненты оказала большое влияние на альтернативные теории гравитации. Например, в конце декабря прошлого года в Physical Review Letters одновременно вышло сразу четыре статьи, посвященные событию GW170817 и ограничениям на различные квантовые теории гравитации. Кроме того, это событие устанавливает очень жесткие ограничение на скорость гравитации — теперь отношение скорости гравитации к скорости света может отличаться от единицы не больше, чем на 3×10⁻¹⁵.

Дмитрий Трунин