Изучения слияний черных дыр для проверки симметрии Вселенной

Ученые из Института физики высоких энергий (IGFAE) провели инновационное исследование, проверяющее существование зеркальных асимметрий во Вселенной, изучая направленность гравитационно-волнового излучения от слияний черных дыр, обнаруженных Advanced LIGO и Virgo.

Столп современной космологии, известный как Космологический принцип, утверждает, что при наблюдении в больших масштабах Вселенная изотропна и однородна. Это значит, что все наблюдатели во Вселенной будут видеть примерно одни и те же структуры независимо от того, где они находятся или куда смотрят. Как следствие, Вселенная не должна проявлять предпочтения к вещам, которые вращаются по часовой стрелке 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, и которые распространяются от своих источников со скоростью света. Такие волны производятся в некоторых из самых энергичных событий во Вселенной, таких как сверхновые, слияния черных дыр или даже сам Большой взрыв.

Как и электромагнитные волны, гравитационные волны обладают свойством, известным как поляризация, которая может быть как правосторонней, так и левосторонней. Другими словами, волна может каким-то образом «вращаться» по часовой стрелке или против часовой стрелки относительно направления своего распространения. Некоторые типы слияний черных дыр — особенно те, которые демонстрируют прецессирующую орбитальную плоскость — действительно могут создавать избыток одной поляризации над другой, индивидуально нарушая зеркальную симметрию.

Аналогия с футболом

Однако, если космологический принцип верен, упомянутые излишки должны быть в среднем равны нулю по всем источникам во вселенной. Хуан Кальдерон Бустильо, ведущий автор статьи, предлагает простую футбольную аналогию.

«В футболе существует два основных способа удара по мячу — внутренней или внешней частью стопы. Первый способ заставляет мяч вращаться против часовой стрелки (вспомните знаменитые штрафные удары Дэвида Бекхэма), а противоположный способ вызывает противоположное вращение (вспомните Модрича или молодую суперзвезду Ламина Ямала, которые в совершенстве владеют этим приемом).

«Однако большинство ударов, навесов и передач выполняются внутренней стороной стопы, так как это значительно облегчает контроль мяча, верно? Это вызывает асимметрию между двумя типами вращений, делая футбол «зеркально асимметричным». Если наши стандартные предположения о Вселенной и гравитации верны, то этого не должно происходить с волнами, испускаемыми слияниями черных дыр во вселенной».

Слияния черных дыр — это правосторонние или левосторонние процессы?

В новом исследовании авторы измерили поляризацию волн, испускаемых 47 слияниями черных дыр, обнаруженными Advanced LIGO и Virgo, и получили три основных результата. Во-первых, результаты согласуются с нулевой средней поляризацией по источникам, в соответствии с космологическим принципом.

Доктор Николас Санчис-Гуаль, соавтор исследования, говорит: «Однако статистика очень ограничена, поэтому неопределенность все еще велика. Эта космическая футбольная игра далека от завершения».

Во-вторых, исследование выявило только одну индивидуальную систему — известную как GW200129 — которая окончательно нарушает зеркальную симметрию. Однако исследование также указывает, что по крайней мере 82% изученных слияний черных дыр должны делать это, даже если эти случаи не могут быть индивидуально определены.

«Это довольно естественно, что GW200129 нарушает зеркальную симметрию, поскольку известно, что эта система имеет прецессирующую орбитальную плоскость. Однако наш результат показывает, что многие слияния также нарушают ее, 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», — говорят ученые.

«В предыдущем исследовании мы продемонстрировали, что зеркально-асимметричные слияния могут производить чистую эмиссию поляризованных фотонов из квантового вакуума посредством процесса, похожего на излучение Хокинга. Наше исследование выявило первый жизнеспособный источник — GW200129 — который может производить этот эффект».

Подчеркивая наиболее интересный момент исследования, исследователи отмечают, что: «Уравнения Эйнштейна для гравитации, которые управляют поведением Вселенной в больших масштабах, допускают лево- (право-)вращающийся 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 для создания асимметрии».

Следовательно, этот новый метод имеет огромный потенциал, чтобы помочь разгадать тайну так называемого напряжения Хаббла.

Неожиданные параллели с физикой элементарных частиц

В другом исследовании, опубликованном на arXiv, авторы показали, что анализируемая наблюдаемая величина тесно связана с очень известным явлением сильного поля, известным как гравитационная отдача, или толчок.

Самсон Леонг, аспирант Китайского университета Гонконга и руководитель этого исследования, объясняет: «Слияния черных дыр испускают гравитационные волны неизотропным образом. Так же, как это происходит, когда вы стреляете из ружья, это заставляет конечную черную дыру получить отдачу».

«Эта конечная черная дыра также будет иметь спин. Как и в случае с футбольными мячами, этот спин может быть как правым, так и левым относительно направления его движения. В этом втором исследовании мы обнаружили, что наблюдаемая величина, которая измеряет чистую поляризацию волн, линейно связана с проекцией удара вдоль направления спина. Другими словами, мы смотрим на спиральность конечной черной дыры».

Вышеизложенное устанавливает увлекательную аналогию с экспериментом, который привел к открытию нарушения симметрии четности слабым взаимодействием. В этом эксперименте профессор Цзянь-Шюн Ву и его коллеги обнаружили, что электроны, возникающие в результате бета-распада атомов кобальта, испускаются преимущественно «вверх», вдоль направления спина атома кобальта, а не испускаются изотропно.

«В нашем случае мы делаем нечто очень похожее, проверяя, отскакивают ли черные дыры, образующиеся в результате слияния черных дыр, преимущественно «вверх» или «вниз» относительно направления их вращения», — заключает Кальдерон Бустилло.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.