«Можно подумать, что проблемы существуют только благодаря журналистам: если газетчики о них не говорят, то их и нет».
— Бернар Вербер

Данные LIGO наложили ограничения на массу гравитонов

13 марта, 19:02:23

Изображение галактики NGC 6240

X-ray: NASA/CXC/MIT/ C.Canizares, M.Nowak; Optical: NASA/STScI

Физики-теоретики из Италии и Германии рассмотрели теорию биметрической гравитации, в которой обычный метрический тензор дополняется стерильным, и показали, что в этой теории детекторы гравитационных волн должны регистрировать не один, а два последовательных сигнала, разделенных небольшим промежутком времени. Используя существующие экспериментальные данные, ученые оценили массу гравитонов и угол смешивания теории. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Если гравитоны — гипотетические переносчики гравитационного взаимодействия — имеют массу, скорость гравитационных волн будет отличаться от скорости света. Одной из наиболее продуманных теорий массивных гравитонов, не противоречащей экспериментальным наблюдениям, является теория биметрической гравитации (бигравитации). В этой модели к метрическому тензору g Общей теории относительности (ОТО), который описывает геометрию пространства-времени и отвечает обычным гравитонам, добавляется еще один, стерильный, тензор , отвечающий еще одному типу гипотетических частиц. Сам по себе этот тензор себя никак не проявляет, однако он связан с обычным тензором и позволяет реализовать механизм Штюкельберга, который является аналогом механизма Хиггса и придает гравитонам массу.

Важно заметить, что эффекты бигравитации проявляются только вне сферы Вайнштейна, а внутри нее она полностью воспроизводит ОТО. Чем меньше масса гравитонов, тем больше радиус этой сферы - так, для гравитонов с массой порядка mg ~ 10−22 электронвольт радиус сферы Вайнштейна примерно равен rV ≈ 8×1011 метров, что сравнимо с радиусом орбиты Земли, а для безмассовых частиц rV стремится к бесконечности, воспроизводя ОТО во всем объеме Вселенной. Подавляющее большинство астрофизических процессов  происходят в границах куда меньшего радиуса, а потому теорию бигравитации в них можно не учитывать. Тем не менее, при распространении гравитационных волн на большие расстояния эффекты этой теории становятся существенными, и обычные гравитоны начинают превращаться в стерильные, напоминая осцилляции нейтрино.

В этой статье физики-теоретики Кевин Макс (Kevin Max), Мориц Платшер (Moritz Platscher) и Юрий Смирнов (Juri Smirnov) исследовали, как эффекты бигравитации вызывают декогеренцию гравитационных волн, а также вычислили ограничения на массу mg и угол смешивания θ гравитонов, опираясь на результаты измерений обсерватории LIGO. Грубо говоря, угол смешивания описывает, какая из мод — обычная или стерильная — преобладает в теории; в пределе θ → 0 бигравитация воспроизводит ОТО.

Выписывая и варьируя действие теории, физики получили уравнения, которым подчиняются обычная и стерильная компоненты гравитационной волны, излученной в результате слияния двойной системы. Оказалось, что частота колебаний компонент немного отличается, и со временем они перестают быть скоррелированы. При этом корреляция пропадает тем быстрее, чем выше масса гравитонов — например, при массе mg ~ 10−21 электронвольт декогеренция наступает на расстоянии Lcoh ≈ 1 гигапарсек, а при mg ~ 10−20 это случается уже на Lcoh ≈ 10 мегапарсек. С другой стороны, из-за разной частоты колебаний компоненты перемешиваются, и детектор регистрирует не один, а сразу два сигнала, разделенных небольшим промежутком времени (порядка нескольких десятков секунд) и пропорциональных квадрату синуса и косинуса угла смешивания θ. Следовательно, измеряя отношение амплитуд сигналов и задержку между ними, можно определить параметры теории.

Правда, ни один из шести сигналов, которые LIGO зарегистрировала за последние полтора года, не сопровождался дополнительным сигналом. С одной стороны, это можно списать на небольшое расстояние до излучавших гравитационные волны систем. С другой стороны, второй сигнал мог просто потонуть в шуме, если его интенсивность была недостаточно велика (то есть если угол смешивания близок к нулю). Учитывая обе этих причины, ученые рассчитали, какие масса гравитона и угол смешивания укладываются в экспериментальные данные. Оказалось, что угол смешивания может лежать либо в диапазоне 0 < θ < π/16, либо в диапазоне 7π/16 < θ < π/2, а масса гравитонов не превышает mg ~ 10−22. При других значениях параметрах отклонение от ОТО было бы слишком заметным.


Также стоит отметить, что расстояние до источника волн рассчитывается по интенсивности более сильной компоненты, а потому оказывается пропорционально квадрату косинуса угла θ. Из-за этого расстояние до источника волн, вычисленное по формулам ОТО, оказывается заниженным, и оценки на среднюю частоту слияний, которые можно зарегистрировать с помощью детекторов LIGO и Virgo, нужно пересчитать. Теоретически, это тоже позволяет установить ограничения на параметры модели, поскольку приводит к увеличению числа зарегистрированных событий с большим красным смещением. Однако на данный момент число достоверно зарегистрированных событий слишком мало, а погрешности слишком велики, чтобы говорить о каких-то результатах.


В августе прошлого года обсерватории LIGO/Virgo зарегистрировали гравитационные волны, пришедшие практически одновременно с гамма-излучением от двух сливающихся нейтронных звезд. Это позволило установить жесткие ограничения на скорость гравитации и проверить экзотические теории, в которых часть энергии гравитационных волн «утекает» в дополнительные измерения.

Вообще говоря, экспериментальных подтверждений существования гравитонов нет, и в ближайшее время они вряд ли появятся. В то же время, если теоретически оценить число гравитонов, заполняющих видимую Вселенную, можно получить, что их почти на двадцать больше, чем всех других частиц, вместе взятых.

Дмитрий Трунин

Автоматические теги: Физика, Космос, Наука, NASA, Астрономия, MIT, Германия, Нейтрино, Солнечная система, Италия, Мода,

Всего новостей в базе - 267059.