Гравітаційні хвилі можуть осциллировать, як і нейтрино

Озброївшись даними про перших гравітаційних хвилях, зареєстрованих в минулому році, і теоретичним аналізом, фізики показали, що гравітаційні хвилі можуть осциллировать між двома різними формами, g - і f-типами гравітаційних хвиль. Фізики пояснюють, що це явище аналогічно тому, як нейтрино осциллируют між трьома різними ароматами – електронним, мюонним і тау. Осцилюючі гравітаційні хвилі з'являються модифікованої теорії гравітації під назвою биметрическая гравітація, або «бигравитация», і фізики показують, що осциляції можна буде виявити в майбутніх експериментах.

Робота Кевіна Макса, Моріца Платшера і Юрія Смирнова була опублікована в недавньому випуску Physical Review Letters.

Фізики відзначають, що ця робота може допомогти знайти відповідь на питання, «з чого складається 95%» Всесвіту. Справа в тому, що відповідь може лежати в модифікаціях гравітації, а не в нових частках.

«Тільки 5% речовини ставляться до того, який, як нам здається, ми добре розуміємо», розповів Смирнов на Phys.org. «Намагаючись відповісти на питання, з чого складається наша Всесвіт (темна енергія і темна матерія), більшість авторів обговорюють альтернативні моделі фізики елементарних частинок з новими частинками. Однак експерименти на зразок тих, що проводяться на Великому адронному колайдері, поки не знайшли ніяких екзотичних частинок. Виникає питання: можливо, потрібно переглянути гравітаційну бік?».

«У своїй роботі ми задаємося питанням, які сигнали ми могли б очікувати від модифікованої гравітації. Виявляється, бигравитация володіє таким унікальним сигналом і тому може бути виділена з тла інших теорій. Недавнє виявлення гравітаційних хвиль відкрило для нас нове вікно в темні сектори Всесвіту. Незалежно від того, чи обрала природа загальну теорію відносності, бигравитацию або яку-небудь іншу теорію, нам залишається вивчати лише конкретні сигнали».

Два гравитона замість одного

В даний час кращою теорією гравітації є загальна теорія відносності Ейнштейна, яка використовує єдину метрику для опису простору-часу. В результаті гравітаційні взаємодії опосередковуються одну гіпотетичну часткою – graviton – яка не має маси і тому рухається зі швидкістю світла.

Основна різниця між загальною теорією відносності й бигравитацией в тому, що бигравитация використовує дві метрики, g і f. У той час як g — це фізична метрика і зв'язується з матерією, f – це стерильна метрика і з матерією не зв'язується. У бигравитации гравітаційні взаємодії опосередковуються двома гравітонами, один з яких має масу, а інший ні. Обидва гравитона складаються з різних комбінацій (або суперпозиций) метрик g і f, а тому і зв'язуються з навколишнього матерією по-різному. Існування двох показників (і двох гравітонів) у рамках бигравитации в підсумку призводить до явища осциляції.

Як пояснюють фізики, ідея того, що може існувати гравітон з масою, народилася майже одночасно з загальною теорією відносності.

«Загальна теорія відносності Ейнштейна пророкує одного посередника гравітаційних взаємодій (гравітон), який рухається на швидкості світла (є безмассовым)», говорить Макс. «Вже в 1930-х роках люди намагалися знайти теорію, в якій посередник буде мати масу і, отже, рухатися зі швидкістю меншою, ніж світлова. Задача виявилася вкрай складною і була завершена тільки в 2010 році. Бигравитация стала варіацією цієї розробки 2010 року, тільки вже вміщувала не одну, а дві динамічні метрики. Одна з них асоціюється з матерією, а інша ні; їх лінійна комбінація стає масивною (повільніше швидкості світла), а інша безмассовой (на швидкості світла).

Осциляції

Фізики показали, що в рамках бигравитации, коли гравітаційні хвилі виробляються і поширюються в просторі, вони осциллируют між g і f-типами – хоча тільки g-тип може бути виявлений. Хоча попередні дослідження показали, що подібні коливання можуть існувати, вони приводили до далеких від фізики результатами, наприклад, порушували закон збереження енергії. Нове дослідження показало, що осциляції теоретично можуть виникати в реалістичному фізичному сценарії, за участю масивного гравитона, який досить великий, щоб його можна було виявити в ході експерименту.

Щоб ми могли зрозуміти ці осциляції, вчені порівнюють їх з осцилляциями нейтрино. Хоча нейтрино бувають трьох ароматів (електрон, мюон і тау), в процесі ядерних реакцій зазвичай народжуються електронні нейтрино (або електронні антинейтрино), тому що інші занадто важкі, щоб сформувати стабільний речовина. Точно так само і в бигравитации тільки одна метрика зв'язується з речовиною, тому гравітаційні хвилі, які народжуються астрофизическими подіями зразок злиття чорних дір, g-типу – f-тип гравітаційних хвиль просто не асоціюється з речовиною.

«Ключ до розуміння явища осциляції в тому, що електронні нейтрино не мають певної маси: вони являють собою суперпозицію трьох нейтринних масових станів», пояснює Платшер. «Хвильове рівняння, яке описує рух через простір, замешает їх і призведе до осциляції».

«То ж справедливо і для бигравитации: g являє собою суміш з масивних і безмассовых гравітонів і тому, коли гравітаційна хвиля проходить через Всесвіт, вона буде осциллировать між g і f-типами гравітаційних хвиль. Тим не менше миможемо виміряти тільки першу за допомогою детекторів (складаються з матерії), а другі пройдуть непоміченими. І це, якщо бигравитация буде коректним описом Природи, залишить важливий слід на сигналі гравітаційної хвилі, що ми і показали».

Подібність між нейтрино і гравітаційними хвилями зберігається навіть незважаючи на те, що осциляції нейтрино – це явище квантової механіки, яка описується хвильовим рівнянням Шредінгера, а осциляція гравітаційної хвилі – не квантовий ефект і описується класичним хвильовим рівнянням.

Один з конкретних ефектів, який прогнозують фізики, полягає в тому, що осциляції гравітаційної хвилі призводять до великим модуляціям, ніж прогнозує ЗТВ. Ці результати намічають доріжку для експериментального виявлення осциляцій гравітаційних хвиль і пошуку підтримки для бигравитации.

«Оскільки бигравитация дуже молода теорія, ще багато що належить зробити і вивчити. В цьому напрямку була виконана певна робота, але ми сподіваємося внести свій внесок і в майбутньому», кажуть вчені.