LISA увидит отличия экзотических компактных объектов от черных дыр на планковских масштабах
Физики-теоретики из Германии, Португалии и Италии показали, что слияния черных дыр и экзотических компактных объектов можно отличить, наблюдая за фазой пришедших от них гравитационных волн. Также они оценили, насколько тонкие отличия сможет почувствовать детектор LISA, запуск которого ожидается к 2034 году — оказалось, что с его помощью можно будет обнаружить компактные объекты, размер которых превышает гравитационный радиус на величину, сопоставимую с планковской длиной. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
По общепринятой теории при коллапсе достаточно массивной звезды образуется черная дыра — объект, обладающий настолько сильной гравитацией, что преодолеть ее не может даже свет. Граница этого объекта называется горизонтом событий. К сожалению, наличие подобных областей пространства-времени приводит к различным неприятным эффектам — например, информационному парадоксу или появлению файерволов. Поэтому физики-теоретики предполагают, что вместо черных дыр при коллапсе звезд в действительности могут возникать другие объекты, обладающие теми же гравитационными свойствами, но не имеющие горизонта событий. Такие объекты называются экзотическими компактными объектами (exotic compact objects, ECOs).
Огромная гравитация черных дыр и экзотических компактных объектов затрудняет их наблюдения во всех диапазонах электромагнитного излучения. К счастью, их все еще можно отследить по гравитационному взаимодействию с окружающими объектами. Кроме того, в сентябре 2015 года гравитационная обсерватория LIGO впервые увидела гравитационные волны, образовавшиеся в результате слияния двух черных дыр, и с тех пор ученые зарегистрировали уже шесть подобных событий. Это открывает новые возможности для наблюдения за черными дырами и поиска ECO.
В частности, существует два способа обнаружить или исключить экзотические компактные объекты, регистрируя гравитационные волны от слияния двойной системы. Первый способ полагается на колебания образовавшегося объекта — наличие или отсутствие горизонта событий вносит свои поправки в его излучение, и эти отголоски теоретически можно измерить, записывая гравитационные волны, которые пришли сразу же после слияния. Второй способ учитывает эволюцию двойной системы непосредственно перед слиянием и предполагает измерение приливных деформаций и квадрупольного момента объектов.
В этой статье группа физиков под руководством Валерии Феррари (Valeria Ferrari) предлагает еще один способ отличить с помощью гравитационных волн двойные системы, состоящие из экзотических компактных объектов или черных дыр. А именно, они предлагают использовать тот факт, что приливное разогревание не происходит, если у исходных объектов двойной системы отсутствует горизонт событий. Также ученые обсуждают, можно ли выполнить такие измерения с помощью детектора LISA, состоящего из трех спутников, находящихся друг от друга на расстоянии порядка 150 миллионов километров. Пока что Европейское космическое агентство и NASA планируют запустить этот детектор к 2034 году.
Чтобы упростить расчеты, ученые рассмотрели эволюцию двойной системы в пост-Ньютоновском приближении (приближении уравнений Эйнштейна в пределе низких скоростей). В этом приближении природа происходящих процессов определяется следующими тремя процессами. Во-первых, мультипольные моменты отражают, как объекты реагируют на собственное поле. Во-вторых, приливные числа Лава описывают, как они реагируют на внешнее гравитационное поле своего компаньона (приливная деформация). В-третьих, часть излучения заново поглощается — происходит приливное разогревание объектов. Каждый из этих процессов вносит свой вклад в фазу гравитационной волны, которую можно зарегистрировать с помощью детектора — ψPP, ψTD и ψTH соответственно. К сожалению, во всех известных моделях мультипольные моменты экзотических компактных объектов совпадают с моментами черных дыр. Поэтому приходится ограничиваться измерениями ψTD и ψTH.
Тем не менее, этих измерений вполне достаточно, чтобы отличить черные дыры от экзотических компактных объектов. С одной стороны, фазу ψTD можно извлечь из экспериментальных данных с помощью Байесовского анализа и связать с числами Лава и отношением масс сливающихся объектов. Оценивая параметры LISA, ученые выяснили, что с ее помощью можно будет зафиксировать слияния объектов с числами Лава вплоть до k ~ 0,005. С другой стороны, расстояние между границей r и гравитационным радиусом rg объекта тем больше, чем больше его число Лава (в действительности r − rg ~ rg exp[−1/k]). Для сверхмассивных объектов это расстояние сравнимо с планковской длиной, а для черных дыр оно равно нулю. Учитывая, что числа k ~ 0,005 отвечают расстояниям r − rg ~ 10−30 сантиметров, авторы заключают, что с помощью нового детектора можно будет увидеть «планковские поправки около горизонта событий».
Наконец, черные дыры отличаются от ECO приливным разогреванием. В то время как черные дыры поглощают все излучение (которое не может вырваться из-под горизонта событий), компактные объекты могут полностью его отражать. Эти эффекты также будут выражаться в появлении дополнительной фазы ψTH гравитационной волны, и их можно отследить, рассматривая погрешности регистрации.
Авторы статьи отмечают, что оценки на среднюю частоту регистрации ультракомпактных объектов с помощью LISA составляют порядка одного-десяти событий в год. В то же время, планируемая продолжительность миссии составляет около пяти лет. Таким образом, в случае реализации проекта ученые смогут либо подтвердить существование ECO (если они поймают сигнал нужной формы), либо опровергнуть с высокой степени достоверности (если таких сигналов зарегистрировано не будет).
В ноябре прошлого года физики из Португалии и Испании показали, что черную дыру и бозонную звезду — одну из моделей экзотического компактного объекта — можно отличить с помощью гравитационного линзирования. Также мы писали, как с помощью детектора Унру-деВитта можно различить черную дыру и геон ℝP3 — гравитационную волну, которая удерживается на месте своей огромной энергией.
Дмитрий Трунин
Результат получила коллаборация Belle II
Выход за пределы Стандартной модели — важнейшая поисковая задача физиков, занимающихся элементарными частицами. В первую очередь они ориентируются на существующие крупные аномалии, например, темную материю. Множество расширений Стандартной модели опирается на введение новых невидимых бозонов, которые могли бы стать такой материей. Один из процессов, где такие бозоны могли бы себя проявить — это распад тау-лептона. Физики знают, что этот тяжелый лептон распадается на электрон или мюон и соответствующий набор нейтрино. Ряд теорий, однако, предсказывает альтернативный канал распада, в котором вместо нейтрино рождается темный бозон. Проверить эту гипотезу вызвались физики из коллаборации Belle II, работающие на лептонном коллайдере SuperKEKB. В ходе измерительной кампании, длящейся с 2019 по 2020 год, ученые собрали данные о более, чем 57 миллионах событий, в которых сталкивающиеся электроны и позитроны превращаются в таон-антитаонные пары при энергии в системе центра масс, равной 10,58 гигаэлектронвольта. Интегральная светимость эксперимента составила 62,8 обратного фемтобарна. Физиков интересовали коэффициенты ветвления процессов с участием темных бозонов, деленные на соответствующие коэффициенты для известных процессов. Авторы протестировали собранные данные для бозонов в диапазоне масс от 0 до 1,6 гигаэлектронвольта и не нашли подтверждения этой гипотезе. Результат работы физиков накладывает новые ограничения на отношения коэффициентов ветвления: (6−36)×10−3 для распада на электрон и (3−34)×10−3 для распада на мюон с доверительным интервалом 95 процентов. Японский коллайдер SuperKEKB — это модернизированная версия его предшественника, коллайдера KEKB. Он был снова запущен после семи лет ремонта в 2018 году. С тех пор на нем было получено множество новых результатов, например, уточненное время жизни очарованного лямбда-бариона.
