В последние моменты слияния две нейтронные звезды не просто испускают гравитационные волны – происходит взрыв катастрофической мощности, отзывающийся по всему электромагнитному спектру. Разница во времени прибытия между светом и гравитационными волнами позволяет нам многое узнать о Вселенной
Спросите астрофизика о величайшей загадке Вселенной на сегодня – и два наиболее частых ответа будут «тёмная материя» и «тёмная энергия». То, из чего состоит всё на нашей Земле, атомы, которые в свою очередь состоят из фундаментальных частиц, составляют лишь 5% бюджета космической энергии. И либо 95% энергии Вселенной содержится в двух этих формах, в форме тёмной материи и тёмной энергии, которые по сию пору не наблюдались напрямую, либо с нашим представлением о Вселенной что-то кардинально не так. Альтернативы этим теориям исследовали достаточно долго, и различные их варианты проводили к немного различным физическим последствиям. После того, как мы впервые пронаблюдали слияние нейтронных звёзд и приняли сигналы в виде гравитационных волн и света довольно широкого спектра, огромная часть этих альтернатив была отвергнута. Тёмная материя и тёмная энергия выдержали проверку экспериментом.
Ультрамассивное динамическое галактическое скопление Abell 370, гравитационная масса которого (а по большей части это – тёмная материя) отмечена синим
В астрофизике и космологии есть несколько крупных загадок, которые должны были решить тёмная материя и тёмная энергия. В части тёмной материи они по большей части связаны с формированием, вращением и скапливанием галактик, а в части тёмной энергии они связаны со скоростью расширения Вселенной и её эволюцией во времени. Некоторые из наблюдений можно оправдать, немного доработав теорию гравитации, и для этого не потребуются тёмная материя и тёмная энергия. Люди, работающие над этими доработками, надеются, что найдут одну, правильную – такую, что также сможет сделать новые предсказания, отличающиеся от предсказаний теорий тёмной материи и тёмной энергии – и что их можно будет проверить.
Формирование космической паутины управляется тёмной материей, а самых крупномасштабных структур – скоростью расширения и тёмной энергией. Небольшие структуры, расположенные вдоль нитей, формируются благодаря коллапсу обычной материи, подверженной электромагнитным взаимодействиям.
Но модификация гравитации, будь то попытки объяснить тёмную материю или тёмную энергию (не говоря уже о том, чтобы объяснить обе теории сразу) — игра, в которую необходимо играть очень осторожно. Общую теорию относительности Эйнштейна уже всесторонне испытали, и её предсказания каждый раз выполнялись. Модифицируя гравитацию, вы изменяете эту теорию, поэтому это нужно сделать так, чтобы не противоречить всем уже сделанным наблюдениям и измерениям. В результате многие варианты изменений отправились в ещё не очень хорошо испытанную область: ту, что позволяет скорости распространения гравитации меняться. В теории Эйнштейна скорость гравитации равна световой, всегда и точно. Но во многих альтернативных теориях это предположение изменяют.
Крупномасштабная проекция в симуляции Illustris project на смещении z = 0, с центром в наиболее массивном скоплении на глубине в 15 Мпк/h [h – безразмерный параметр Хаббла / прим. перев.]. Демонстрирует переход плотности тёмной материи (слева) в плотность газа (справа). Конфигурацию крупномасштабных структур Вселенной нельзя объяснить без тёмной материи, хотя попытки модификации гравитации проводятся.
Обычно считается, что тёмная энергия – это космологическая постоянная, и что скорость света и гравитации тоже являются постоянными (и равными друг другу). Альтернативные формулировки добавляют нечто более сложное: скалярное поле или набор дополнительных полей. Это общее место моделей модификации – таких, как галилеевский ковариант, массивная гравитация, гравитация с массивным гравитоном, теория Эйнштейновского эфира, тензор-вектор-скалярная гравитация, гравитация Хоравы. Во многих случаях, в зависимости от того, как скалярное поле взаимодействует со стандартным гравитационным (тензорным) полем Общей теории относительности, скорость гравитации получается либо отличной от скорости света, либо меняющейся во времени. Но тот факт, что гамма-лучи и гравитационные волны от события GW170817 слияния нейтронных звёзд пришли с разницей в 1,7 с, означает, что скорость гравитации должна быть равной скорости света с погрешностью не более, чем 10-15.
Все безмассовые частицы перемещаются со скоростью света, включая фотоны, глюоны и гравитационные волны, и переносят электромагнитные, сильные ядерные и гравитационные взаимодействия, соответственно. Практическое совпадение времени прибытия гравитационных и электромагнитных волн от GW170817 чрезвычайно важно.
В результате было опровергнуто большое количество альтернатив стандартной ОТО со стандартной тёмной энергией. То, что разница в 1,7 с между световым и гравитационным сигналом на расстоянии в 130 млн световых лет настолько мала, означает, что скорость гравитации не может меняться со временем, или быть систематически больше или меньше скорости света. Добавляя скалярное поле к тензорной теории гравитации, вы получаете два основных эффекта:
- Появляется тензорный член дополнительной скорости, увеличивающий скорость распространения гравитационных волн.
- Шкала эффективной планковской массы меняется на космических мастшабах времени, что изменяет затухание гравитационных волн при расширении Вселенной.
То, что скорость света и скорость гравитации равны с такой точностью, говорит о том, что все теории с модификациями такого типа серьёзно ограничены, и что большинство подобных моделей, по сути, опровергнуты.
Многие модификации гравитации, отвергающие тёмную энергию, были опровергнуты благодаря времени прибытия гравитационных и электромагнитных волн
В случае с тёмной материей попыткам создания модифицированной гравитации пришлось ещё хуже. Большая часть модификаций меняет закон взаимодействия массивных объектов, что меняет гравитационный потенциал в регионах пространства-времени, содержащих массу. Когда двигающиеся со скоростью света объекты, такие, как фотоны или гравитационные волны, проходят через это пространство, эти сигналы замедляются по правилам ОТО: эффект Шапиро. На расстоянии в 130 млн световых лет стоящая на пути материя должна задержать этот сигнал примерно на три года, если верно стандартное представление о тёмной материи. Но если изменить гравитацию так, чтобы избавиться от тёмной материи, вы серьёзно измените свойства распространения гравитационных волн сквозь пространство.
Когда свет, гравитационные волны или любая безмассовая частица проходит через участок пространства, содержащий большое количество материи, из-за искажения этого пространства путь искривляется, что приводит к задержке времени прибытия. В большинстве теорий модифицированной гравитации задержки для света и гравитационных волн будут отличаться.
У модифицированных теорий гравитации без тёмной материи, таких, как TeVeS или MoG/Scalar-Tensor-Vector, есть особенность – гравитационные волны в них распространяются по геодезическим кривым – разным путям в пространстве-времени – отличающимся от тех, которым следуют фотоны и нейтрино. Кратко говоря, гравитационные волны должны перемещаться по путям, определяемым только нормальной материей, а фотоны и нейтрино должны перемещаться по путям, определяемым эффективной массой: нормальной материей в сумме с эффектами, эмулирующими тёмную материю. Такое различие привело бы к наличию разницы во времени прибытия фотонов и гравитационных волн в примерно 800 дней, а не наблюдавшихся в реальности 1,7 с.
С учётом перекрёстной корреляции гравитационных волн и электромагнитных сигналов эти варианты без тёмной материи опровергнуты.
Различные источники массы в NGC 4993, где произошло слияние нейтронных звёзд, и их влияние на задержку прохождения света и гравитационных волн
Когда гравитационные волны и фотоны (электромагнитные волны) распространяются в пространстве, кривизна и расширение пространства влияет на них абсолютно одинаково. То есть, пока вы пользуетесь ОТО. Если вы измените теорию гравитации – чтобы попытаться избавиться от тёмной материи и/или тёмной энергии, к примеру – тогда на гравитационные волны будет влиять только материя и её масса, а эффекты модификации затронут фотоны и другие частицы. Поскольку гравитационные волны и световые сигналы от слившихся нейтронных звёзд прибыли одновременно, они двигались через пространство с одной и той же скоростью, и испытали одинаковое замедление. Ткой точности достаточно, чтобы исключить лидирующих кандидатов на модифицированную теорию гравитации без тёмной материи.
Карты рентгеновского излучения (розовый) и общего количества материи (синий) различных сталкивающихся галактических скоплений демонстрируют чёткое разделение между нормальной материей и гравитационными эффектами – одно из наиболее убедительных доказательств существования тёмной материи. Альтернативным теориям теперь приходится быть настолько притянутыми, что многие считают их просто смешными.
Пока ещё существует несколько натянутых моделей, сохраняющих надежды на модифицированную гравитацию – к примеру, нелокальные теории гравитации (в которых гравитационные эффекты и расположение масс не совпадают), или теории, в которых гравитационные волны и электромагнитные волны подчиняются разным правилам. Но даже эти идеи серьёзно ограничены новыми наблюдениями за гравитационными волнами, и им требуется всё сильнее и сильнее напоминать эффекты тёмной материи и тёмной энергии, чтобы выжить. Модифицированная гравитация пока ещё не канула в лету, но многие из величайших её надежд только что разбились. Эйнштейн же, со своей теорией в её первоначальном, неизменённом варианте, до сих пор живёт.
Автор: Вячеслав Голованов
