Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, которая распространяется со скоростью света. Они возникают в результате некоторых самых жестоких событий во Вселенной, таких как слияние черных дыр, сверхновые или сам Большой взрыв. С момента своего первого обнаружения в 2015 году и после трех запусков наблюдений детекторы Advanced LIGO и Virgo обнаружили около 100 таких волн.
Благодаря этим наблюдениям мы начинаем раскрывать информацию о популяции черных дыр в нашей Вселенной, изучать гравитацию в ее наиболее экстремальном режиме и даже определять образование таких элементов, как золото или платина, во время слияния нейтронных звезд.
Детекторы LIGO и Virgo — это не что иное, как самые точные линейки, когда-либо созданные человечеством, способные измерять тонкое сжатие и растяжение пространства-времени, производимое гравитационными волнами.
Обнаружение волн и определение их источников основано на сравнении данных детектора с теоретическими моделями или «шаблонами» волн, излучаемых каждым типом источника. По сути, именно так знаменитое приложение Shazam сообщает нам подробности (название, автор, год) музыки, играющей в баре.
Хотя существует несколько способов расчета шаблонов гравитационных волн, наиболее точным (а иногда и единственным) является чрезвычайно точное численное моделирование, выполняемое на некоторых из самых мощных суперкомпьютеров в мире. Однако есть одна оговорка: большинство численных моделей выводят не величину, которую считывают детекторы, известную как деформация, а ее вторую производную, известную как скаляр Ньюмана-Пенроуза.
Это заставляет ученых выполнять двукратные интегралы по результатам моделирования. Доктор Исаак Вонг, один из руководителей исследования из Китайского университета Гонконга, объясняет: «Хотя получение интегралов может показаться простым, эта операция подвержена хорошо известным ошибкам, с которыми мы можем справиться только для довольно простых источников, таких как слияние черных дыр на круговых орбитах, которые до сих пор обнаруживали LIGO и Virgo. Более того, сделать это непросто, требуя некоторой ручной настройки, которая требует человеческого выбора».
В недавней работе, опубликованной в журнале Physical Review X, группа под руководством доктора Хуана Кальдерона Бустильо, «младшего лидера La Caixa» и «стипендиата Марии Кюри» из Галицкого института физики высоких энергий (Испания), и доктора Исаака Вонга из Китайский университет Гонконга предложил перевернуть методы проведения гравитационно-волнового анализа с момента его создания.
Вместо того, чтобы брать интегралы в своих симуляциях, авторы предлагают брать производные по данным детектора, оставляя при этом свои симуляции нетронутыми.
Воссоздание слияния бозонных звезд. Фото: Николас Санчис Гуаль и Росио Гарсия Соуто.
Доктор Кальдерон-Бустильо объясняет: «Хотя эта настройка может показаться довольно тривиальной, она имеет большие преимущества. Во-первых, это значительно упрощает процесс получения шаблонов, которые можно сравнить с данными LIGO-Virgo. Самое главное, теперь мы можем сделайте это безопасно для любого источника, который могут моделировать суперкомпьютеры».
Фактически, команда уже давно заинтересована в изучении возможности того, что некоторые из нынешних сигналов могут быть связаны с чем-то более экзотическим и загадочным, известным как бозонные звезды.
Доктор Санчис-Гуаль, соавтор исследования из Университета Валенсии, говорит: «Бозонные звезды ведут себя очень похоже на черные дыры, но они фундаментально отличаются, поскольку у них отсутствуют два наиболее отличительных (и несколько проблематичных) аспекта черной дыры. дыры: их невозвратная поверхность, известная как горизонт событий, и сингулярность внутри, где законы физики нарушаются».
Хотя команда знала, как моделировать эти источники на суперкомпьютерах, «у нас были серьезные проблемы с пониманием того, как преобразовать результаты нашего моделирования во что-то, что мы могли бы сравнить с данными детектора, из-за хорошо известных проблем. Идея получения производных от данные сделали все чрезвычайно простым», — говорит профессор Алехандро Торрес, также из Университета Валенсии.
В качестве первого применения своей новой техники в отдельной работе, опубликованной в журнале Physical Review D, команда сравнила некоторые гравитационно-волновые события, наблюдаемые LIGO и Virgo, с большим каталогом моделирования слияний бозонов и звезд.
«Если слияния бозонных звезд существуют, они могли бы объяснить, по крайней мере, часть того, что мы знаем как темную материю», — говорит профессор Карлос Эрдейру из Университета Авейру.
Фактически, команда обнаружила, что одно из самых загадочных событий, наблюдаемых на сегодняшний день, известное как GW190521, действительно соответствует такому моделированию. Это подкрепляет аналогичный результат, полученный командой в 2020 году, полученный с использованием значительно меньшего каталога.
Самсон Леонг, аспирант Китайского университета Гонконга, участвовавший в обоих исследованиях, говорит: «Очень интересно видеть, что GW190521 согласуется со слиянием бозонов и звезд. Это не подчеркивает потенциальную роль этих экзотических объектов в будущее гравитационно-волновой астрономии».
Профессор Тьонни Ли из Левенского университета добавляет: «Этот результат также демонстрирует силу нашего нового подхода. Просто взяв производные, мы открыли более широкое окно для исследования и понимания космоса с помощью гравитационных волн».
Информация от: Галицким институтом физики высоких энергий.
