Ключи к «квантовой гравитации» могут скрываться в песнях черных дыр

Из четырех фундаментальных сил физики гравитация — это та, с которой мы лучше всего знакомы в повседневной жизни, но она также единственная, которую в настоящее время нельзя объяснить с помощью квантовой физики. Теперь ученые наметили план поиска признаков квантовой гравитации в космосе, прислушиваясь к «звону» сталкивающихся черных дыр.

Три из четырех фундаментальных взаимодействий – электромагнетизм, а также слабое и сильное ядерные взаимодействия – можно описать как поля и переносятся определенными частицами. Электромагнетизм, например, переносится фотонами и создает электрические и магнитные поля.

Однако гравитацию нельзя объяснить таким образом. На данный момент лучшей моделью, которая у нас есть, является общая теория относительности Эйнштейна, но в определенных ситуациях – например, вблизи черных дыр – эта теория терпит неудачу, указывая на ее неполноту. На протяжении десятилетий ученые искали теорию квантовой гравитации, которая объяснила бы силу с точки зрения квантовой механики, переносимую гипотетической частицей, называемой гравитоном, но до сих пор доказательства ускользали от нас.

Теперь пара новых исследований показала, как астрофизики могут искать подсказки в ближайшие годы. Гравитационные волны — это рябь в самой ткани пространства-времени, вызванная катастрофическими событиями, такими как столкновения между черными дырами и/или нейтронными звездами, которые обнаруживаются обсерваториями, такими как LIGO. Команда показала, что «тона» этих столкновений могут указывать на физику, которая не совсем соответствует текущим моделям.

«Когда две черные дыры сливаются, образуя еще большую черную дыру, последняя черная дыра звенит как колокол», — сказал Янбэй Чен, соавтор обоих исследований. «Качество звона или его тембр могут отличаться от предсказаний общей теории относительности, если некоторые теории квантовой гравитации верны. Наши методы предназначены для поиска различий в качестве этой фазы звонка, таких как гармоники и обертоны, например».

Первое исследование представляет новое уравнение, которое описывает, как черные дыры будут звучать в соответствии с различными теориями квантовой гравитации. Оно основано на уравнении, впервые разработанном физиком-теоретиком Солом Теукольским в 1970-х годах. Во втором исследовании команда описывает, как новое уравнение можно применить к данным, полученным с помощью LIGO, с фильтрацией фонового шума.

Поскольку LIGO совсем недавно возобновил работу после трехлетнего перерыва на обновления, мы вскоре сможем проверить идею квантовой гравитации.

Исследование было опубликовано в журналах Physical Review X и Physical Review Letters.

Источник: Калифорнийский технологический институт