Теорию относительности Эйнштейна проверили по сигналу гравитационных волн
Для тех, кто наблюдает за гравитационными волнами, приходящими из глубин космоса, GW250114 стало выдающимся событием. Это самый четкий на сегодня сигнал от слияния двух черных дыр, и он дал уникальную возможность проверить теорию гравитации Альберта Эйнштейна — общую теорию относительности (ОТО).
«Потрясающе, что это событие практически идентично первому, которое мы зафиксировали 10 лет назад, GW150914. Причина, по которой сигнал теперь намного четче, — исключительно в том, что наши детекторы стали гораздо точнее за прошедшее десятилетие», — говорит физик Киф Митман из Корнеллского университета.
Сотрудник нескольких колабораций, в том числе LVK, LISA и SXS, он стал одним из множества соавторов анализа этой волны под заголовком «Спектроскопия черных дыр и проверка общей теории относительности с помощью GW250114», напечатанного в журнале Physical Review Letters.
Знаковое обнаружение гравитационной волны
Гравитационная волна GW250114 — рябь пространства-времени, вызванная столкновением двух черных дыр, — достигла американской обсерватории LIGO 14 января 2025 года. Каждая волна нумеруется по дате обнаружения, и коллаборация LIGO-VIRGO-KAGRA объявила об этом событии в сентябре 2025 года. В своем анализе Митман и его коллеги пришли к выводу, что сигнал соответствует предсказаниям ОТО. При этом они, как и другие теоретики, полагают, что не все столкновения черных дыр будут ей подчиняться, что открывает возможность исследовать фундаментальные основы мироздания.
Когда две черные дыры сливаются, столкновение «звучит», как удар в колокол, порождая специфические тона, характеризующиеся двумя параметрами, объясняет Митман: частотой колебаний и временем затухания. Если измерить один такой тон, можно вычислить массу и спин образовавшейся черной дыры. Однако если измерить два или более тонов — что позволяет сделать такой четкий сигнал, как GW250114, — то, согласно ОТО, каждый из них по сути дает независимую оценку массы и спина.
«Если эти две оценки совпадают друг с другом, мы тем самым проверяем общую теорию относительности. Но если мы измерим два тона, которые не соответствуют одной и той же комбинации массы и спина, это позволит понять, насколько реальность отличается от предсказаний ОТО», — уточняет ученый.
Испытание теории Эйнштейна по тонам
Сигнал GW250114 был настолько четким, что исследователи смогли измерить два тона и получить ограничения для третьего. Все они согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна. А могли и не совпасть, допускает Митман.
«Тогда нам, физикам, пришлось бы изрядно потрудиться, чтобы попытаться объяснить, что происходит и какой на самом деле должна быть теория гравитации в нашей Вселенной», — признает исследователь.
Он и его коллеги полагают, что в будущем могут быть обнаружены гравитационные волны, не укладывающиеся в рамки ОТО Эйнштейна, что прольет свет на нерешенные вопросы.
В поисках следов квантовой гравитации
Физики подозревают, что теория относительности Эйнштейна в какой-то момент окажется неверна, поскольку она не объясняет множество гравитационных явлений во Вселенной, таких как темная энергия и темная материя, добавляет Митман. Кроме того, ОТО перестает работать, когда физики пытаются согласовать ее с законами, описывающими квантовую область.
«Должен существовать какой-то способ разрешить этот парадокс, чтобы наша теория гравитации стала совместима с нашей теорией квантовой механики. В связи с этим мы ожидаем, что могут появиться отклонения от классических предсказаний Эйнштейна, и мы, возможно, увидим "отпечатки" квантовой гравитации на этих гравитационно-волновых сигналах. Мы надеемся, что однажды обнаружим эти отклонения, и это поможет приблизиться к пониманию, какой может быть истинная теория квантовой гравитации», — заключил физик.
