ВВЕДЕНИЕ
Гравитационные волны создаются неравномерно ускоряющимися массами, которые несут информацию об их источниках, и часто рассматриваются как рябь в кривизне пространства-времени. Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна предсказывает измеримые свойства гравитационных волн. Согласно ОТО, эти волны распространяются с скоростью света и скорость распространения не зависит от частоты волны. Он предсказывает, что волны будут иметь две независимые моды поляризации обозначаются как «плюс» и «крест». Далее ОТО предсказывает динамику пространства-времени, приводящую к генерации гравитационных волн, например, в случае столкновений черных дыр и/или нейтронных звезд. Таким образом, обнаружение гравитационных волн от сливающихся двойных систем, состоящих из черных дыр и нейтронных звезд, усовершенствованной сетью детекторов LIGO/Virgo дает уникальную возможность проверить предсказания ОТО и тем самым найти любую физику за пределами ОТО.
В самом последнем каталоге переходных процессов гравитационных волн GWTC-3 детекторы LIGO/Virgo обнаружили около 90 компактных двойных слияний, включая двойные черные дыры, двойные нейтронные звезды и пары нейтронная звезда-черная дыра. Среди 90 событий впервые было сообщено о 35 слияниях компактных двойных звезд из второй половины третьего цикла наблюдений (O3b) . В этой статье мы объединяем новые данные наблюдений со старыми данными для поиска возможных отклонений от ОТО.
В каждом эксперименте проводятся измерения в присутствии шума, и детекторы гравитационных волн не являются исключением. Когда мы ищем отклонения от ОТО, определенные типы шума, присутствующие в детекторе, могут имитировать их, создавая риск того, что мы неправильно заявим об отклонении, когда его нет. Следовательно, мы ограничиваем наш анализ только «громкими» событиями, сигналы которых можно было ожидать, что они будут напоминать шум детектора только один раз в 1000 лет или чаще. Это дает нам 15 событий для анализа из O3b, и мы проводим девять различных тестов, которые ищут отклонения от GR. Краткое изложение результатов описано ниже.
ТЕСТЫ НА СОГЛАСОВАННОСТЬ
ОБЩАЯ СОГЛАСОВАННОСТЬ СИГНАЛА С ДАННЫМИ: ОСТАТОЧНЫЙ ТЕСТ
Мы используем формы волны ОТО для обнаружения и интерпретации гравитационно-волновых событий. Самый простой тест GR, который мы можем выполнить, — это вычесть из наблюдаемых данных форму волны GR , которая лучше всего соответствует данным. Остаток, оставленный этой процедурой, должен согласовываться с шумом, если ОТО верен. Для всех изученных событий мы находим, что невязка согласуется с шумом детектора, что свидетельствует о согласованности данных с предсказаниями ОТО.
САМОСОГЛАСОВАННОСТЬ ФОРМЫ СИГНАЛА: ТЕСТ НА СОГЛАСОВАННОСТЬ «ВДОХ-СЛИЯНИЕ-ЗВОНОК ВНИЗ»
Гравитационные волны от слияния нейтронных звезд и черных дыр имеют три фазы эволюции: медленное сближение двух тел друг с другом, слияние двух тел в одно и вращение остатка компактного объекта. Важную проверку согласованности можно выполнить, спросив, согласуется ли форма волны со вдоха с формой волны после вдоха. Окончательную массу и вращение остатка черной дыры можно вывести из обеих частей эволюции, используя эмпирические подгонки, основанные на численном моделировании этих двойных систем в ОТО. Наш анализ показал, что формы волн на вдохе и после вдоха хорошо согласуются для всех проанализированных событий.
ПАРАМЕТРИЗОВАННЫЕ ТЕСТЫ GR
Крайне нелинейная и сложная физика во время поздней динамики двойной системы приводит к различным физическим эффектам, которые кодируются в форме гравитационных волн. Модифицированная теория гравитации может иметь другое предсказание для одного или нескольких из этих эффектов. Параметризованные модели позволяют искать возможные отклонения от ОТО в этих физических эффектах. Мы ищем свидетельства существования не-ОТО физики на вдохе и в фазах слияния/угасания эволюции.
ТЕСТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИН СПИРАЛА
Вдохновляющая фаза двойной системы описывается медленным движением в приближении слабого поля, называемом пост ньютоновским приближением к ОТО. Различные пост ньютоновские коэффициенты фиксируют один или несколько физических эффектов во время бинарной динамики, и проверка их соответствия предсказаниям ОТО представляет собой очень полезный тест ОТО. Наш анализ в сочетании с результатами из предыдущих каталогов дает самые современные оценки коэффициентов отклонения; однако мы не находим статистически значимых несоответствий с ОТО.
Спираль двойной системы также позволяет нам проверить, согласуется ли сигнал со слиянием двух черных дыр Керра в ОТО. Если один из компактных объектов вращается, это вращение может привести к деформации — точно так же, как вращение Земли приводит к уплощению на полюсах и вздутию на экваторе. Это приводит к заметному вкладу в фазовую эволюцию двойной системы и отличается для черной дыры Керра по сравнению с другими компактными объектами. Мы проверяем этот эффект и не находим свидетельств каких-либо экзотических компактных объектов
ТЕСТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛИЯНИЯ И РИНГДАУНА
Аналогичным образом мы проверяем, соответствуют ли гравитационные волны, испускаемые во время слияния и затухания, предсказаниям ОТО. Продолжительность слияния и затухания намного короче, чем у вдоха, за исключением случая массивных двойных систем, что приводит к меньшему накоплению отношения сигнал/шум на этом этапе эволюции. Ограничение событий событиями с разумным отношением сигнал-шум, накопленным во время слияния и звонка, позволяет установить значимые границы. Этот тест проводится тремя методами, которые дополняют друг друга с точки зрения деталей формы сигнала, методологии и параметризации. Мы считаем, что тест дает согласованность с ОТО в пределах статистических неопределенностей.
ИСПЫТАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН
В то время как гравитационные волны согласно ОТО распространяются не дисперсионно, модификации ОТО могут привести к дисперсии . Это приводит к тому, что частотные компоненты волны распространяются с разной скоростью, что приводит к разным временам их прихода к детектору. Например, если высокочастотные волны, испускаемые во время слияния, распространяются быстрее, чем низкочастотные ин спиральные волны, то «волны слияния» могут быть обнаружены раньше, чем ожидалось. Мы ищем дисперсию гравитационных волн и не находим свидетельств этого. Одна специфическая и интересная модель, которую здесь можно ограничить, — это теории массивного гравитона. Это класс теорий, в которых предполагается, что предполагаемая частица гравитона имеет крошечную (но неизвестную) массу. Это приводит к определенному типу дисперсии, который можно ограничить, обеспечив нижний предел массы гравитона. Основываясь на событиях, проанализированных во всех трех сериях наблюдений, мы получаем оценку, что масса гравитона должна быть меньше 1.-23
ИСПЫТАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН
Гравитационные волны в ОТО могут иметь только два состояния поляризации: плюс и крест. Однако более общая теория гравитации может иметь до шести различных режимов поляризации . Используя три детектора (два LIGO и Virgo), мы можем установить частичное ограничение содержания не-GR поляризации в наблюдаемых нами сигналах. Метод основан на построении потока данных детектора без каких-либо сигналов GR. Любые остатки в этом потоке детектора будут указывать на наличие дополнительных мод поляризации. Наш анализ не показал такого присутствия, и данные согласуются с предсказаниями ОТО.
ЭХО ПОСЛЕ СЛИЯНИЯ
Существуют теоретические альтернативы черным дырам, которые называются имитаторами черных дыр, потому что они могут имитировать свойства черных дыр, но не являются черными дырами ОТО. Одним из самых отличительных свойств черной дыры является наличие горизонта событий , представляющего собой поверхность, с которой ничего не возвращается, т. е. с идеальной поглощающей способностью. Однако в имитаторах черных дыр эквивалентом горизонта событий может быть поверхность, которая, например, может быть частично или полностью отражающей. Утверждалось, что форма волны после слияния от слияний таких объектов может содержать повторяющиеся эхо сигнала звонка. Мы искали такие эхо в данных и не нашли ни одного, что подразумевает согласованность остатков слияния с вращающимися черными дырами в ОТО.
РЕЗЮМЕ
Мы искали доказательства возможного нарушения ЗГ девятью различными способами. Мы обнаружили, что в пределах статистических неопределенностей из-за шума и возможной неизвестной систематики из-за неточных моделей волновых форм предсказания ОТО полностью согласуются с обнаруженными событиями. Учитывая важность обнаружения возможных поломок GR, мы продолжим проводить эти тесты в ближайшие годы. Новые тесты могут исследовать совершенно новые аспекты гравитации, которые до сих пор не исследованы, с использованием более чувствительных детекторов, которые будут работать в ближайшие несколько лет.
ГЛОССАРИЙ
- Дисперсия волны — это явление, при котором различные частотные компоненты волны распространяются с разной скоростью.
- Поляризация волны относится к независимым способам, которыми волна может колебаться. Для гравитационных волн в ОТО существуют две независимые моды поляризации, называемые плюсовой и крестовой. Это означает, что проходящая гравитационная волна растянет и сожмет кольцо частиц до формы + и х.
- Прогон наблюдений O3: третий сбор данных в эпоху Advanced LIGO и Virgo начался в апреле 2019 года. O3a, первая часть O3, работала с 1 апреля 2019 года по 1 октября 2019 года, а O3b, вторая часть O3, проходил с 1 ноября 2019 года по 27 марта 2020 года.
- Черная дыра: область пространства-времени, гравитация которой настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее. Неизбежная граница, уникальная для ЧД, называется горизонтом событий.
- Нейтронная звезда : Остаток процесса сверхновой, которому подверглась звезда с массой от 10 до 25 масс нашего Солнца. Типичные нейтронные звезды имеют массу около 1-2 масс Солнца и радиус 10-15 километров, являясь одними из самых компактных объектов, когда-либо обнаруженных.
- Экзотические компактные объекты: это объекты, которые имитируют свойства черных дыр, но не являются черными дырами. Отличить их от ЧД сложно.
- Волны GR : формы гравитационных волн, рассчитанные с использованием GR, которые используются как для обнаружения, так и для интерпретации сигнала гравитационной волны в данных.
- Керр Черные дыры : черные дыры в ОТО, которые полностью описываются своей массой и спином (вращением).
- eV/c 2 : Электрон-вольт (eV) является единицей энергии и, используя хорошо известную эквивалентность массы и энергии E = mc 2 Эйнштейна, eV/c 2 является единицей массы. 1 эВ/с 2 примерно равен 1,8 умножить на 10 -36 кг. Следовательно, масса гравитона оказывается меньше 2,3·10 -59 кг.
