Двойные системы помогут обнаружить дополнительное пространственное измерение

Рентгеновская двойная с чёрной дырой (иллюстрация Brian).

Астрофизики из Виргинского политехнического института и университета штата и Колледжа Нью-Джерси (оба — США) показали, что наблюдения двойных систем, образованных чёрной дырой и пульсаром (сильно намагниченной и быстро вращающейся нейтронной звездой), дают возможность оценивать параметры моделей, в которых вводится дополнительное пространственное измерение.

Напомним: существование шести или семи добавочных измерений постулируется в теории струн, одной из наиболее известных теорий квантовой гравитации. Принято считать, что дополнительные измерения не обнаруживают себя в силу своей малости (компактификации) и характеризуются неким масштабом L, естественным выражением которого была бы планковская длина (~10^–33 см). Чтобы исследовать такой масштаб длин на ускорителях, необходимо достичь энергии, также сопоставимой с планковской (~10¹⁹ ГэВ) и примерно в 10¹⁶ раз превосходящей возможности Большого адронного коллайдера.

Альтернативой компактификации считаются модели, допускающие существование дополнительных измерений большого или даже бесконечного размера. К этой группе относится популярная концепция «мира на бране» Рэндалл — Сундрума, в рамках которой привычная для нас Вселенная рассматривается как выделенная четырёхмерная поверхность или слой, называемый браной, в искривлённом пятимерном пространстве-времени анти-де Ситтера. Четвёртое пространственное измерение с характерным радиусом кривизны L остаётся невидимым в силу того, что все взаимодействия и частицы Стандартной модели сосредоточены на бране, и только гравитоны (кванты гравитационного поля) распространяются ещё и в окружающем «объёме». Такой подход позволяет решить давнюю «проблему иерархии» — объяснить слабость гравитационного взаимодействия, которая становится очевидной при сравнении с тремя другими фундаментальными взаимодействиями.

Модель Рэндалл — Сундрума имеет любопытные астрофизические следствия, в число которых входит увеличенная скорость испарения чёрных дыр за счёт излучения Хокинга. Учёные уже пытались использовать этот эффект для оценки L: в 2009 году сотрудник Аризонского университета Тимоти Йохансен (Timothy Johannsen) выяснил, что исследование давно известной рентгеновской двойной XTE J1118+480, состоящей из чёрной дыры и проэволюционировавшей звезды, позволяет установить верхний предел L < 35 мкм. Это значение ниже, чем полученный в экспериментах с крутильным маятником предел L < 44 мкм, но физическая сложность системы, рассмотренной г-ном Йохансеном, делает результат его работы не слишком надёжным — во всяком случае менее надёжным, чем данные лабораторных опытов.

Авторы предлагают изучать более «простые» двойные системы, элементы которых — чёрную дыру и нейтронную звезду — можно представить в виде точечных масс, не обменивающихся веществом. Быстрое испарение чёрной дыры, описываемое в модели «мира на бране», и естественная потеря энергии системой (за счёт гравитационного излучения) будут давать противоположные эффекты: в первом случае большая полуось орбиты и орбитальный период должны увеличиваться, а во втором — уменьшаться. К примеру, в двойной с орбитальным периодом, равным 7,75 ч, в состав которой входят чёрная дыра массой в три солнечных и примерно в два раза более лёгкая нейтронная звезда, скорость роста орбитального периода, обусловленная потерей массы, составит 0,40 мс/год, а гравитационное излучение даст изменение в –0,12 мс/год. Величина L, прямо влияющая на интенсивность потери массы, здесь принята равной 10 мкм.

Значение орбитального периода учёные позаимствовали у двойной, в которую входит пульсар PSR B1913+16 и ещё одна нейтронная звезда. Регистрируя излучение этого пульсара, обнаруженное в 1974 году, астрономы сумели вычислить скорость изменения орбитального периода, равную –0,076 ± 0,00003 мс/год.

Таким образом, эффект от потери массы чёрной дырой — 0,40 мс/год — легко различим при реально достижимой погрешности измерений. Если наблюдения двойных, состоящих из чёрной дыры и нейтронной звезды, проводить с аналогичной точностью, то физикам будут доступны радиусы L, измеряемые долями микрометра.

Полная версия отчёта опубликована в издании Astrophysical Journal Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам NewScientist.