Новое исследование, опубликованное 23 января 2025 года в журнале Physical Review Letters, представляет результаты анализа гравитационных волн, зафиксированных обсерваториями Advanced LIGO и Virgo, с целью проверки фундаментального принципа зеркальной симметрии во Вселенной, а также валидности Космологического принципа. Космологический принцип утверждает, что на больших масштабах Вселенная изотропна, то есть выглядит одинаково во всех направлениях, и однородна, то есть обладает равномерным распределением вещества. С точки зрения зеркальной симметрии, это означает, что Вселенная не должна иметь предпочтения к вращению по часовой или против часовой стрелки.
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывает существование гравитационных волн, возникающих при ускорении массивных объектов. Эти волны представляют собой деформации пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Среди источников гравитационных волн выделяют такие мощные космические события, как взрывы сверхновых, слияния черных дыр и даже Большой Взрыв.
Гравитационные волны обладают поляризацией, которая может быть правосторонней или левосторонней, что аналогично вращению по часовой или против часовой стрелки. В частности, слияния черных дыр с прецессирующими орбитальными плоскостями способны генерировать избыток одной из поляризаций, нарушая зеркальную симметрию в отдельно взятом событии.
Хуан Кальдерон Бустильо, ведущий автор исследования и научный сотрудник Рамон-и-Кахаль в Институте Галисии физики высоких энергий (IGFAE), приводит аналогию из футбола для иллюстрации концепции поляризации. Удар внутренней стороной стопы закручивает мяч против часовой стрелки, как, например, удары Дэвида Бекхэма. Удар внешней стороной стопы, наоборот, закручивает мяч по часовой стрелке, что часто демонстрируют Модрич и Ламин Ямаль. Удары внутренней стороной стопы встречаются чаще, создавая асимметрию в футболе. Однако, если Космологический принцип верен, то в среднем гравитационные волны от всех слияний черных дыр во Вселенной не должны демонстрировать предпочтения к какой-либо поляризации.
Анализ 47 слияний черных дыр, проведенный учеными, подтвердил эту гипотезу. В среднем, поляризация гравитационных волн от этих событий оказалась согласованной с нулевым значением, что поддерживает Космологический принцип на крупномасштабном уровне. При этом, исследователи подчеркивают, что ограниченное количество наблюдений приводит к значительным неопределенностям в результатах.
Тем не менее, в ходе исследования была выявлена одна система, получившая название GW200129, которая однозначно демонстрирует нарушение зеркальной симметрии. Более того, оценка показывает, что не менее 82% слияний черных дыр, вероятно, нарушают зеркальную симметрию, даже если это не всегда возможно обнаружить индивидуально. Такая высокая доля событий, нарушающих симметрию, может свидетельствовать о том, что прецессирующие орбитальные плоскости являются распространенным явлением при слияниях черных дыр. Прецессия, в свою очередь, может быть признаком иерархического формирования черных дыр.
Адриану дель Рио, научному сотруднику имени Сезара Номбелы из Университета Карлоса III в Мадриде, это исследование интересно с точки зрения квантовой гравитации. Слияния, нарушающие зеркальную симметрию, потенциально могут генерировать поляризованные фотоны из квантового вакуума, аналогично излучению Хокинга. GW200129 стал первым идентифицированным кандидатом на источник этого эффекта. Исследование направлено на проверку, существуют ли «скрытые» механизмы в гравитации или Вселенной, вызывающие асимметрии.
Кроме того, данный метод анализа может оказаться полезным для понимания так называемого «Хаббловского напряжения» – расхождения в измерениях скорости расширения Вселенной. Развитие новых методов наблюдения и анализа гравитационных волн, таких как представленный в данной работе, может способствовать разрешению фундаментальных космологических загадок.
Параллельно, другая исследовательская группа под руководством Самсона Леонга, аспиранта Китайского университета Гонконга, провела изучение поляризации гравитационных волн в контексте гравитационной отдачи («пинка») финальной черной дыры после слияния. Результаты этой работы были опубликованы на сервере препринтов arXiv. Слияния черных дыр сопровождаются неизотропным излучением гравитационных волн, что приводит к отдаче образовавшейся черной дыры и приобретению ею вращения.
Была установлена линейная зависимость между суммарной поляризацией гравитационных волн и проекцией вектора отдачи на направление спина, то есть на гелицитность финальной черной дыры. Эта концепция аналогична эксперименту профессора Цзянь-Сюн Ву по нарушению четности при бета-распаде кобальта, где наблюдался преимущественный вылет электронов вдоль направления спина атома кобальта. Новое исследование проверяет, отскакивают ли черные дыры преимущественно «вверх» или «вниз» относительно направления своего спина, что может дать новые сведения о фундаментальных симметриях и асимметриях в природе гравитации.
Обе работы, представленные Хуаном Кальдероном Бустильо, Николасом Санчисом-Гуалем из Университета Валенсии, Коуставом Чандрой из Университета штата Пенсильвания и Адрианом дель Рио, а также исследование Самсона Леонга, вносят важный вклад в наше понимание фундаментальных свойств Вселенной, используя мощь гравитационно-волновой астрономии. Информация предоставлена Галицким институтом физики высоких энергий.
Изображение носит иллюстративный характер
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывает существование гравитационных волн, возникающих при ускорении массивных объектов. Эти волны представляют собой деформации пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Среди источников гравитационных волн выделяют такие мощные космические события, как взрывы сверхновых, слияния черных дыр и даже Большой Взрыв.
Гравитационные волны обладают поляризацией, которая может быть правосторонней или левосторонней, что аналогично вращению по часовой или против часовой стрелки. В частности, слияния черных дыр с прецессирующими орбитальными плоскостями способны генерировать избыток одной из поляризаций, нарушая зеркальную симметрию в отдельно взятом событии.
Хуан Кальдерон Бустильо, ведущий автор исследования и научный сотрудник Рамон-и-Кахаль в Институте Галисии физики высоких энергий (IGFAE), приводит аналогию из футбола для иллюстрации концепции поляризации. Удар внутренней стороной стопы закручивает мяч против часовой стрелки, как, например, удары Дэвида Бекхэма. Удар внешней стороной стопы, наоборот, закручивает мяч по часовой стрелке, что часто демонстрируют Модрич и Ламин Ямаль. Удары внутренней стороной стопы встречаются чаще, создавая асимметрию в футболе. Однако, если Космологический принцип верен, то в среднем гравитационные волны от всех слияний черных дыр во Вселенной не должны демонстрировать предпочтения к какой-либо поляризации.
Анализ 47 слияний черных дыр, проведенный учеными, подтвердил эту гипотезу. В среднем, поляризация гравитационных волн от этих событий оказалась согласованной с нулевым значением, что поддерживает Космологический принцип на крупномасштабном уровне. При этом, исследователи подчеркивают, что ограниченное количество наблюдений приводит к значительным неопределенностям в результатах.
Тем не менее, в ходе исследования была выявлена одна система, получившая название GW200129, которая однозначно демонстрирует нарушение зеркальной симметрии. Более того, оценка показывает, что не менее 82% слияний черных дыр, вероятно, нарушают зеркальную симметрию, даже если это не всегда возможно обнаружить индивидуально. Такая высокая доля событий, нарушающих симметрию, может свидетельствовать о том, что прецессирующие орбитальные плоскости являются распространенным явлением при слияниях черных дыр. Прецессия, в свою очередь, может быть признаком иерархического формирования черных дыр.
Адриану дель Рио, научному сотруднику имени Сезара Номбелы из Университета Карлоса III в Мадриде, это исследование интересно с точки зрения квантовой гравитации. Слияния, нарушающие зеркальную симметрию, потенциально могут генерировать поляризованные фотоны из квантового вакуума, аналогично излучению Хокинга. GW200129 стал первым идентифицированным кандидатом на источник этого эффекта. Исследование направлено на проверку, существуют ли «скрытые» механизмы в гравитации или Вселенной, вызывающие асимметрии.
Кроме того, данный метод анализа может оказаться полезным для понимания так называемого «Хаббловского напряжения» – расхождения в измерениях скорости расширения Вселенной. Развитие новых методов наблюдения и анализа гравитационных волн, таких как представленный в данной работе, может способствовать разрешению фундаментальных космологических загадок.
Параллельно, другая исследовательская группа под руководством Самсона Леонга, аспиранта Китайского университета Гонконга, провела изучение поляризации гравитационных волн в контексте гравитационной отдачи («пинка») финальной черной дыры после слияния. Результаты этой работы были опубликованы на сервере препринтов arXiv. Слияния черных дыр сопровождаются неизотропным излучением гравитационных волн, что приводит к отдаче образовавшейся черной дыры и приобретению ею вращения.
Была установлена линейная зависимость между суммарной поляризацией гравитационных волн и проекцией вектора отдачи на направление спина, то есть на гелицитность финальной черной дыры. Эта концепция аналогична эксперименту профессора Цзянь-Сюн Ву по нарушению четности при бета-распаде кобальта, где наблюдался преимущественный вылет электронов вдоль направления спина атома кобальта. Новое исследование проверяет, отскакивают ли черные дыры преимущественно «вверх» или «вниз» относительно направления своего спина, что может дать новые сведения о фундаментальных симметриях и асимметриях в природе гравитации.
Обе работы, представленные Хуаном Кальдероном Бустильо, Николасом Санчисом-Гуалем из Университета Валенсии, Коуставом Чандрой из Университета штата Пенсильвания и Адрианом дель Рио, а также исследование Самсона Леонга, вносят важный вклад в наше понимание фундаментальных свойств Вселенной, используя мощь гравитационно-волновой астрономии. Информация предоставлена Галицким институтом физики высоких энергий.
