Рисунок, показывающий направление вращения черной дыры и ее зеркальное изображение, иллюстрирующий «зеркальную» симметрию этих событий. Фото предоставлено: IGFAE
В статье, опубликованной в четверг в журнале Physical Review Letters, ученые провели инновационное исследование, которое проверило существование зеркальной асимметрии в нашей Вселенной, изучив направленность излучения гравитационных волн в результате слияния черных дыр, обнаруженных Advanced LIGO и Virgo.
Столп современной космологии, известный как Космологический принцип, утверждает, что Вселенная изотропна и однородна, если рассматривать ее в больших масштабах. Это означает, что все наблюдатели во Вселенной будут наблюдать примерно одни и те же структуры, независимо от того, где они находятся и куда смотрят. В результате Вселенной не разрешено отдавать предпочтение вещам, вращающимся по или против часовой стрелки, что известно как «зеркальная симметрия».
Теория гравитации Эйнштейна, известная как общая теория относительности, предсказывает, что массивные тела могут производить тип излучения, известный как гравитационные волны, которые состоят из искажений пространства-времени, которые распространяются от своих источников со скоростью света. Такие волны производятся некоторыми из самых жестоких событий во Вселенной, такими как сверхновые, слияния черных дыр и сам Большой взрыв.
Как и электромагнитные волны, гравитационные волны обладают свойством, известным как поляризация, и могут быть как правыми, так и левыми. Другими словами, волна может каким-то образом «вращаться» по или против часовой стрелки относительно направления своего распространения. Некоторые типы слияний черных дыр – особенно те, которые имеют прецессирующую орбитальную плоскость – могут фактически привести к превышению одной поляризации над другой, индивидуально нарушая зеркальную симметрию.
Аналогия с футболом
Однако, если соблюдается космологический принцип, указанные излишки должны быть в среднем равны нулю от всех источников во Вселенной. Хуан Кальдерон Бустильо, ведущий автор статьи и исследователь Рамона-и-Кахаля в Институте физики высоких технологий (IGFAE), совместном центре Университета Сантьяго-де-Компостела и Хунта-де-Галисия, предлагает простую футбольную аналогию.
«В футболе в основном есть два способа удара по мячу: внутренней или внешней частью стопы. Первый заставляет мяч вращаться против часовой стрелки (вспомните знаменитые штрафные удары Дэвида Бекхэма), а второй вызывает противоположное вращение (вспомните Модрича или молодую суперзвезду Ламина Ямала, осваивающего этот прием).
«Однако большинство ударов, навесов и передач совершаются внутренней частью стопы, поскольку это значительно облегчает контроль мяча, не так ли? «Если наши стандартные предположения о Вселенной и гравитации верны, этого не должно случиться с рябью, исходящей от слияния черных дыр во Вселенной».
Слияния черных дыр происходят справа или слева?
В этом исследовании авторы измерили поляризацию волн, излучаемых 47 слияниями черных дыр, обнаруженными Advanced LIGO и Virgo, и пришли к трем основным результатам. Во-первых, в соответствии с космологическим принципом, результаты согласуются с нулевой средней поляризацией источников.
Доктор Николас Санчис-Гуаль, соавтор исследования и исследователь Рамона-и-Кахаля из Университета Валенсии, говорит: «Однако статистика очень ограничена, поэтому неопределенности все еще велики. Эта космическая футбольная игра еще далека от завершения».
Пример BBH, который остается инвариантным относительно плоскости разъема во время зеркального преобразования. Изображение представляет собой момент во время вдоха. Стрелки указывают отдельные векторы вращения двух ЧД, каждый из которых отмечен цифрами 1 и 2. Вследствие зеркальной симметрии пространства-времени параметры Черна-Понтрягина и Стокса исчезают. Фото предоставлено: arXiv (2025 г.). DOI: 10.48550/arxiv.2501.11663
Во-вторых, исследование выявило только одну систему, известную как GW200129, которая окончательно нарушает зеркальную симметрию. Однако это также показывает, что это должно иметь место как минимум в 82% изученных слияний черных дыр, даже если эти случаи не могут быть идентифицированы индивидуально.
Кустав Чандра, соавтор и научный сотрудник Пенсильванского государственного университета, добавляет: «Для GW200129 естественно нарушать зеркальную симметрию, поскольку известно, что эта система имеет прецессирующую орбитальную плоскость. Однако наш результат показывает, что многие слияния также нарушают эти правила, что позволяет предположить, что они также могут иметь прецессирующие орбитальные плоскости. Эти неожиданные результаты могут иметь далеко идущие последствия, поскольку прецессия является признаком иерархического формирования черных дыр».
Наконец, результаты, как сказал д-р. Адриан дель Рио, соавтор и исследователь Сезара Номбела из Мадридского университета Карлоса III, также представляет большой интерес в области квантовой гравитации.
«В предыдущем исследовании мы показали, что асимметричные слияния зеркал могут производить чистое излучение поляризованных фотонов из квантового вакуума посредством процесса, аналогичного излучению Хокинга. Наше исследование выявило первый реальный источник – GW200129 – который может производить такой эффект. «, — говорит доктор дель Рио.
Подчеркивая наиболее интересный момент исследования, он говорит: «Уравнения гравитации Эйнштейна, которые управляют крупномасштабным поведением Вселенной, допускают левосторонний (правосторонний) гравитационный источник для каждой противоположной направленности. Однако эти уравнения не требуют существования обоих типов источников с одинаковыми пропорциями в нашей Вселенной. Наша работа позволяет нам проверить, есть ли у гравитации (или нашей Вселенной) «скрытые» механизмы создания асимметрии.
Следовательно, этот новый метод имеет большой потенциал для раскрытия тайны так называемого напряжения Хаббла.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Неожиданная параллель с физикой элементарных частиц
В другом исследовании, опубликованном во вторник на arXiv, авторы показали, что анализируемая наблюдаемая тесно связана с очень известным явлением сильного поля, известным как гравитационная отдача или удар.
Самсон Леонг, аспирант Китайского университета Гонконга и руководитель этого исследования, объясняет: «Слияния черных дыр испускают гравитационные волны неизотропным образом. Точно так же, как то, что происходит, когда вы стреляете из пистолета, последняя черная дыра отскакивает.
«Эта последняя черная дыра также будет иметь вращение. Как и в случае с футбольными мячами, это вращение может быть как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки относительно направления движения. В этом втором исследовании мы обнаружили, что наблюдаемая измеряет чистую поляризацию волн и линейно связана с проекцией ударной волны вдоль направления вращения. Другими словами, мы наблюдаем спиральность последней черной дыры.
Вышеизложенное представляет собой увлекательную аналогию с экспериментом, который привел к открытию нарушения симметрии четности слабым взаимодействием. В этом знаменитом эксперименте профессор Чиен-Шиунг Ву и его коллеги обнаружили, что электроны, образующиеся во время бета-распада атомов кобальта, преимущественно испускаются «вверх», вдоль направления вращения атома кобальта, а не изотропно.
«В нашем случае мы делаем нечто очень похожее, проверяя, отступают ли черные дыры, образовавшиеся в результате слияния черных дыр, преимущественно «вверх» или «вниз» относительно направления их вращения», — заключает доктор. Кальдерон Бустильо.
Информация от: Галицким институтом физики высоких энергий.
