Нейтронные звезды помогут понять, существует ли темная энергия во Вселенной
Огромное количество таинственной темной энергии необходимо для объяснения космологических явлений, таких как ускоренное расширение Вселенной, с помощью теории Эйнштейна. Но что, если темная энергия была всего лишь иллюзией, а сама общая теория относительности должна быть изменена?
Новое исследование SISSA, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предлагает новый подход к ответу на этот вопрос. Благодаря огромным вычислительным и математическим усилиям ученые создали первое в истории моделирование слияния двойных нейтронных звезд в теориях, выходящих за рамки общей теории относительности, которые воспроизводят поведение, подобное темной энергии, в космологических масштабах.
Это позволяет сравнить теорию относительности Эйнштейна и ее модифицированные версии и, при наличии достаточно точных данных, может решить загадку темной энергии.
Уже около 100 лет общая теория относительности очень успешно описывает гравитацию в различных режимах, проходя все экспериментальные проверки на Земле и в Солнечной системе.
Однако, чтобы объяснить космологические наблюдения, такие как наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной, нам необходимо ввести темные компоненты, такие как темная материя и темная энергия, которые до сих пор остаются загадкой.
Энрико Бараус, астрофизик из SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) задается вопросом, реальна ли темная энергия или вместо этого ее можно интерпретировать как нарушение нашего понимания реальности.
«Существование темной энергии может быть просто иллюзией, — говорит он, — ускоренное расширение Вселенной может быть вызвано какими-то еще неизвестными модификациями общей теории относительности, своего рода «темной гравитацией».
Слияние нейтронных звезд предлагает уникальную ситуацию для проверки этой гипотезы, потому что гравитация вокруг них доведена до предела.
«Нейтронные звезды — это самые плотные из существующих звезд, обычно радиусом всего 10 километров, но с массой в один или два раза больше массы нашего Солнца», — объясняет ученый.
«Это делает гравитацию и пространство-время вокруг них экстремальными, что позволяет производить гравитационные волны, когда две из них сталкиваются. Мы можем использовать данные, полученные во время таких событий, для изучения работы гравитации и проверки теории Эйнштейна в новом окне возможностей».
В новом исследовании ученые SISSA в сотрудничестве с физиками из Балеарского университета в Пальма-де-Майорка произвели первое моделирование слияния двойных нейтронных звезд в теориях модифицированной гравитации, имеющих отношение к космологии.
«Этот тип моделирования является чрезвычайно сложной задачей, — поясняет Мигель Безарес, первый автор статьи, — из-за крайне нелинейного характера проблемы. Он требует огромных вычислительных усилий — месяцев работы на суперкомпьютерах — что стало возможным также благодаря соглашению между Консорциум SISSA и CINECA, а также новые математические формулы, которые мы разработали. Они представляли собой основные препятствия на протяжении многих лет до нашей первой симуляции».
Благодаря этим симуляциям исследователи, наконец, могут сравнивать общую теорию относительности и модифицированную гравитацию.
Удивительно, но ученые обнаружили, что гипотеза «темной гравитации» так же хороша, как и общая теория относительности, для объяснения данных, полученных интерферометрами LIGO и Virgo во время зафиксированных столкновений двойных нейтронных звезд.
Действительно, различия между двумя теориями в этих системах довольно тонкие, но они могут быть обнаружены гравитационными интерферометрами следующего поколения, такими как телескоп Эйнштейна в Европе и Cosmic Explorer в США.