Выбор модели между исходными симметриями BMS (пунктирные линии) и расширенными симметриями BMS (сплошные линии) с помощью телескопа Эйнштейна (ET) и Cosmic Explorer (CE). Доказательства моделируемой группы симметрии (логарифмический фактор Байеса) показаны в зависимости от времени наблюдения. Источник: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.241401
Как предсказывает общая теория относительности, прохождение гравитационных волн может привести к измеримым изменениям в относительных положениях объектов. Это физическое явление, известное как гравитационно-волновая память, потенциально может быть использовано для изучения как гравитационных волн, так и пространства-времени.
Исследователи из Научного института Гран-Сассо (GSSI) и Международной школы перспективных исследований (SISSA) недавно провели исследование, в котором исследовали возможность использования гравитационно-волновой памяти для измерения симметрии пространства-времени — фундаментальных свойств пространства-времени, которые остаются неизменными после определенных преобразований. . Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, предполагает, что эти симметрии можно исследовать, наблюдая за смещением и спиновой памятью.
«Меня давно интересовал феномен гравитационно-волновой памяти и связь связанной с ним физики низких энергий с квантовой механикой», — рассказал Phys.org Борис Гончаров, соавтор статьи. «Впервые я услышал о теореме Вайнберга о мягком гравитоне во время моей докторской диссертации от профессора Пола Ласки в Университете Монаша в Австралии, когда мы обсуждали гравитационно-волновую память. Затем я узнал о так называемом «инфракрасном треугольнике», который связывает мягкую теорему с гравитационно-волновой памятью и симметрией пространства-времени на бесконечности от источников гравитационных волн».
Теорема Вайнберга о мягком гравитоне и «инфракрасный треугольник» — это математические формулировки, описывающие одно и то же физическое явление: гравитационно-волновую память. В рамках своего недавнего исследования Гончаров и его коллеги исследовали возможность использования гравитационно-волновой памяти для изучения пространственно-временной симметрии.
«Это явление играет роль в продолжающихся попытках описать теорию гравитации Эйнштейна – общую теорию относительности – как квантовую теорию поля на асимптотической границе пространства-времени, теорию столетней давности, непотопляемую и, тем не менее, несовместимую с микроскопическими теориями. мире», — сказал Гончаров.
«Такой подход к объединению в физике кажется мне существенным и многообещающим; Я нахожу это очень захватывающим. Наш конкретный проект возник в разговоре с профессором Лорой Донней, соавтором публикации, о новых достижениях в этой области».
Изучая предыдущую литературу по этой теме, исследователи обнаружили, что обсуждается растущее число удаленных пространственно-временных симметрий, но неясно, какие из этих симметрий и соответствующие термины памяти существуют в природе. В то время как несколько физиков исследовали возможность обнаружения памяти гравитационных волн, Гончаров и его коллеги не были уверены в том, какие физические законы могут быть ограничены их измерениями.
«Идея о том, что мы можем проверить эту пространственно-временную симметрию, была центральной в нашем исследовании», — объяснил Гончаров. «Другой аспект заключается в том, что я и профессор Ян Хармс являемся членами Коллаборации телескопов Эйнштейна, для которой было важно исследовать наблюдательные перспективы гравитационно-волновой памяти. Телескоп Эйнштейна — это европейский детектор гравитационных волн нового поколения, запуск которого запланирован на 2030-е годы».
До сих пор исследователи не представили традиционного подхода к измерению пространственно-временной симметрии путем наблюдения эффектов гравитационно-волновой памяти. Нынешняя статья Гончарова и его коллег призвана заполнить этот очевидный пробел в литературе.
«Уже было проведено много важной работы, направленной на (а) предсказание того, когда и с помощью каких инструментов мы сможем обнаружить различные термины гравитационно-волновой памяти, (б) как рассчитать эффекты гравитационно-волновой памяти аналитически или с использованием численной теории относительности, и (в) как разные модели пространственно-временной симметрии термины гравитационно-волновой памяти», — сказал Гончаров. «Однако обсуждение симметрии пространства-времени, основанное на наблюдаемых эффектах памяти, оказалось пробелом в литературе».
Недавнюю работу этих исследователей можно рассматривать как доказательство концепции. В своей статье они представляют новые наблюдательные тесты, которые можно использовать для изучения пространственно-временной симметрии, а также обрисовывают возможные ограничения предлагаемого ими подхода, которые можно будет устранить в будущем.
В целом их исследование предполагает, что набор тестов общей теории относительности может быть расширен. Кроме того, он предоставляет некоторые полезные расчеты, которые можно выполнить с данными, собранными различными детекторами гравитационных волн.
Гончаров и его коллеги надеются, что их статья вызовет дальнейшие дискуссии о пространственно-временной симметрии и гравитационно-волновой памяти в их исследовательском сообществе. Эти дискуссии потенциально могут проложить путь к объединению различных физических теорий.
«Прямо сейчас я начинаю с Шэрон Томсон (новая аспирантка моего нынешнего института, AEI в Ганновере, Германия) и доктора Келли. Рутгер ван Хаастерен с поиском хранилища гравитационных волн с использованием массивов синхронизации пульсаров (PTA)».
ПТА — это инструменты для астрономических наблюдений, которые собирают высокостабильные и регулярные сигналы от пульсаров (то есть быстро вращающихся нейтронных звезд) с помощью радиотелескопов на Земле. Эти нейтронные звезды ведут себя как высокоточные часы, поскольку они достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать задержки и опережения радиоимпульсов, вызванные распространением гравитационных волн через Млечный Путь.
«PTA — это детекторы галактического масштаба, которые в настоящее время, по-видимому, постепенно улавливают общий гул медленно вращающихся по орбите сверхмассивных двойных черных дыр в соседней Вселенной. Сигнал обеспечивает медленные изменения во времени прибытия импульсов, которые наиболее заметны во временных масштабах от нескольких лет до нескольких лет. десятилетия», — добавил Гончаров.
«Замечательное слияние сверхмассивных двойных черных дыр в соседней галактике может вызвать всплеск гравитационных волн с памятью, который можно обнаружить с помощью PTA. Хотя такие всплески очень редки, определяя их существование, мы надеемся извлечь из данных некоторую полезную информацию».
