До обнаружения гравитационных волн от слияний черных дыр столетняя общая теория относительности Эйнштейна еще не подвергалась самым строгим испытаниям, испытаниям, невозможным ни в лаборатории, ни даже в Солнечной системе. Слияния черных дыр создают одни из самых сильных и динамичных гравитационных полей, допускаемых общей теорией относительности. Наблюдения за слиянием черных дыр подтвердили два предсказания теории — гравитационные волны могут быть обнаружены напрямую и сливающиеся черные дыры существуют — но были ли это гравитационные волны и черные дыры, предсказанные Эйнштейном, или что-то близкое, но все же другое? Что мы можем узнать о гравитационных волнах, несущих на себе отпечаток жестокого катаклизма, породившего их?
LIGO и Virgo выполнили новые тесты общей теории относительности для всех предыдущих обнаружений, как описано в каталоге GWTC-1 , и для одиночных событий GW190425 , GW190412 , GW190814 и GW190521 . Пока что Эйнштейн прошел! Но теперь у нас есть еще много слияний черных дыр для изучения с использованием нового Каталога переходных процессов гравитационных волн 2 ( GWTC-2 ). Хотя мы проводим несколько таких же тестов, как и в GWTC-1, мы анализируем более чем в два раза больше новых событий, чем там было перечислено, а также проводим некоторые новые тесты.
Для поиска отличий от общей теории относительности мы допускаем некоторое отклонение от теории, например дополнительные члены в уравнении или параметры, которые могут иметь значения, отличные от значений общей теории относительности, чтобы увидеть, дает ли это предположение лучшую модель для данных. Используем методы обработки сигналов со статистическим анализом. Мы получаем некоторую статистическую меру данных и сравниваем ее с ожиданиями общей теории относительности. Различия могут возникать по трем причинам: (1) Эти данные зашумлены, поэтому мы всегда измеряем сигнал гравитационной волны плюс шум детектора. (2) В большинстве случаев мы делаем приближения, чтобы определить, какой сигнал следует ожидать от общей теории относительности, и эти приближения могут быть недостаточно близки к истинному поведению некоторых событий. (3) Общая теория относительности может быть несовершенной, и может потребоваться ее корректировка для таких экстремальных объектов, как двойные черные дыры. На практике это означает, что мы не можем легко заключить, что расхождение связано с общей теорией относительности, потому что шум и ошибки аппроксимации затуманивают картину. Но мы можем проверить, совместимо ли то, что мы находим, с общей теорией относительности. И это то, что мы сделали.
Как описано в нашей предыдущей статье, посвященной анализу GWTC-1 , некоторые события плохо соответствуют некоторым тестам, но теперь у нас есть больше событий, из которых можно выбирать. Обнаружим ли мы слияние черных дыр, зависит от того, совпадают ли их частоты с частотами, на которых детекторы чувствительны. Более тяжелые черные дыры сливаются на более низких орбитальных частотах, что приводит к более низким частотам гравитационных волн. Эти частоты еще больше понижаются (красное смещение) во время их путешествия к Земле из-за расширения Вселенной. Таким образом, в зависимости от частоты событие может не подходить для всех тестов.
СРАВНЕНИЕ ЧАСТЕЙ СИГНАЛА ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН С ОЖИДАНИЯМИ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Общая теория относительности устанавливает закон о том, какой должна быть черная дыра, а именно, астрофизическая черная дыра имеет массу и спин. Все, что вы хотите сказать о черных дырах, определяется массой и вращением. Если у вас есть две черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга, у каждой из них есть масса и вращение. Кроме того, вы знаете, как направлены оси вращения и как далеко друг от друга находятся черные дыры. Начиная таким образом исправляет то, что следует. Первоначальное расположение эволюционирует, теряя энергию гравитационных волн, постоянно сужая орбиту и вращаясь со все большей скоростью. Это вдохновитель. Затем две черные дыры сливаются в одну с собственной массой и вращением. Но эта последняя черная дыра имеет искаженную форму. Общая теория относительности говорит, что это искажение порождает гравитационные волны, которые уносят искажение, оставляя после себя только массу и вращение. Мы можем проверить эту картину, потому что первоначальные вдохновляющие черные дыры кодируют конечную черную дыру, которой они становятся. Кроме того, общая теория относительности фиксирует детали исчезновения искажения (называемого кольцевым спадом).
Если инспиральная и нисходящая части сигнала гравитационной волны сопоставимы по силе, то мы можем анализировать их по отдельности, мы можем спросить, предсказывает ли одна другую. Согласно общей теории относительности, если у вас есть детали вдохновения, вы сможете сделать вывод о кольце. Они совпадают? Хотя шум и пределы приближений делают сравнение неточным, мы обнаруживаем совместимость с общей теорией относительности. Искаженная слитая черная дыра ведет себя как удар колокола. Если вы ударите в колокол, вы услышите комбинацию чистых тонов — резонансных частот колокола. Но за короткое время, характерное для колокольчика, ноты затухают — затухают. Точно так же общая теория относительности требует, чтобы звон черной дыры демонстрировал определенные частоты и время затухания. Затем мы можем сравнить наблюдаемые свойства кольца искаженной черной дыры с теми, которые мы предсказываем по спирали события. Хотя точность пока не очень высока (мы надеемся на улучшение в будущих обнаружениях), результаты совместимы с общей теорией относительности.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ НЕКОТОРЫЕ КАЖУЩИЕСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ИМИТИРУЮТ?
Слияние черных дыр производит огромное количество гравитационного излучения, во многих случаях временно затмевающего остальную часть Вселенной. Что, если это излучение исходило от чего-то, что выглядело как черная дыра в общей теории относительности, но на самом деле было чем-то другим — подражателем черной дыры ? Было предложено несколько типов имитаторов. Они имеют большую массу в малом объеме настоящей черной дыры, но что-то в них другое. Мимикеры не имеют точной тесной связи, в которой все зависит от массы и вращения, как это предсказывалось для черной дыры в общей теории относительности. Например, хорошо известный односторонний характер горизонта событий черной дыры.может быть другим для подражателя. В некоторых предложенных имитаторах горизонт событий заменяет зеркальная поверхность. Гравитационные волны, которые обычно проходят через черную дыру, в конце концов возвращаются к нам, создавая эхо исходного сигнала. Мы не находим убедительных доказательств этих отголосков.
Но общая теория относительности может потерпеть неудачу для имитатора другого типа. В них горизонт событий существует, но форма объекта, похожего на черную дыру, неверна. Мы знаем, что вращающиеся объекты имеют уплощенную форму. Это верно для Земли и очевидно для планеты Юпитер, если смотреть даже в небольшой телескоп. Это уплощение может включать гравитацию, даже если общая теория относительности не важна. Когда вращающийся объект представляет собой черную дыру, сплющенная форма точно зависит от массы и вращения черной дыры. Это не обязательно должно быть верно для мимикера, который может иметь различную форму. Мы исследовали множество слияний черных дыр на предмет этой разницы. Ничего существенного не обнаружено.
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ ДОЛГО ДОСТИГАЮТ НАС ОТ СЛИЯНИЯ
Цвета радуги прячутся в солнечном свете и проявляются, когда капля дождя рассеивает свет. Может ли пространство-время выявить «цвета» (то есть частоты) гравитационных волн? Общая теория относительности говорит, что нет. Но другие теории допускают массивный гравитон , который может привести к рассеиванию гравитационных волн. Мы наблюдаем гравитационные волны, которые шли к нам миллиарды лет. Если у гравитонов есть масса, у них есть много возможностей создать дисперсию. Это означает, что мы можем обнаружить отпечаток даже очень маленькой массы гравитона. Мы также можем попытаться усилить любой эффект массы гравитона, который может скрываться в данных, путем объединения информации обо всех событиях. Из наших самых последних данных мы делаем вывод, что если бы масса была больше 1,76×10 -23 эВ/c 2, мы бы нашли. Мы этого не делаем, поэтому масса гравитона по крайней мере настолько мала. Мы улучшили наш предыдущий лучший лимит в 2,7 раза. Укажем для сравнения, что некоторые типы нейтрино, обладающие наименьшими из известных нам ненулевых масс, имеют массы не менее 0,009 эВ/с 2 . Мы также отмечаем, что наше ограничение на массу гравитона еще больше ограничит любые спекулятивные теории гравитации, в которые встроена такая масса.
РЕЗЮМЕ
Так какой ответ? Был ли прав Эйнштейн? Является ли общая теория относительности правильной теорией гравитации? Мы сравнили наши измерения с теорией с недавно обнаруженными слияниями черных дыр и, для новых типов тестов, также с уже известными событиями. В большинстве случаев мы можем объединить результаты разных событий, чтобы сделать наши выводы более убедительными. Суть в том, что, когда мы принимаем во внимание шум и неточные приближения, все, что мы нашли, совместимо с общей теорией относительности. В будущем мы ожидаем обнаружить гораздо больше слияний черных дыр, что поможет нам дать более точный ответ.
ГЛОССАРИЙ
- Черная дыра: Область пространства-времени, образованная чрезвычайно компактной массой, где гравитация настолько сильна, что не позволяет чему-либо, включая свет, покинуть ее.
- Имитатор черной дыры: похожая на черную дыру область пространства-времени, которая достаточно похожа на черную дыру, чтобы ее можно было обнаружить по ее гравитационным волнам при слиянии, но при тщательном рассмотрении не обладает всеми свойствами, требуемыми общей теорией относительности.
- Шум: флуктуация сигнала измерения гравитационных волн из-за различных инструментальных и экологических эффектов. Чувствительность детектора гравитационных волн ограничивается шумом.
- Spin: Величина, которая измеряет, насколько быстро объект вращается вокруг себя.
- Ringdown: Фаза слияния черных дыр, когда искаженная черная дыра, образующаяся при слиянии, излучает гравитационные волны, которые заставляют искажения исчезать.
- Эхо: описывает копию сигнала гравитационной волны, вызванную отражением от поверхности, имитирующей черную дыру, по аналогии с обычным эхом, которое мы слышим от отраженного звука.
- Гравитон: частица, которая, как считается, составляет гравитационные волны так же, как фотоны составляют световые волны. Общая теория относительности требует, чтобы гравитоны были безмассовыми, как и фотоны.
- eV/c 2 : Единица массы: Электрон-вольт (эВ) является единицей энергии, обычно используемой, например, для измерения того, сколько энергии необходимо для удаления электрона из атома. Поскольку, как говорит Эйнштейн, E = mc 2 (где E — энергия, m — масса, а c — скорость света), деление энергии, измеренной в эВ, на c в квадрате дает массу.
