Ученые ищут «память», оставленную гравитационными волнами

Гравитационные волны обрушиваются на всю вселенную как рябь в пространстве-времени, вызванные некоторыми из самых катастрофических событий.

С помощью таких средств, как лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и Virgo, мы можем теперь обнаружить самые сильные из этих волн, когда они омывают Землю. Но гравитационные волны оставляют после себя «воспоминание» («память») - постоянный изгиб в пространстве-времени - когда они проходят в пространстве. Теперь мы находимся на грани возможности обнаружения того, что позволит нам расширить наше понимание гравитации до предела.

Несмотря на то, что ей более века, общая теория относительности Эйнштейна является нашим современным пониманием того, как действует гравитация. С этой точки зрения, пространство и время объединяются в единую структуру, известную как пространство-время. Это пространство-время не просто фиксированная стадия, а она может изгибаться и сгибаться в ответ на действия материи и энергии.

Это изгибы пространства-времени продолжают указывать нам, как двигаются гравитационные волны. В общей теории относительности все, от света до ускоряющихся пуль и стартующих космических кораблей, путешествуют по прямым линиям. Но не в случае с гравитационными волнами, так как пространство-время вокруг них искривляется, заставляя их следовать по изогнутым траекториям - подобно попытке пересечь горный перевал по прямой линии.

То, что мы называем гравитацией, является результатом всего этого искривления пространства-времени и того факта, что у движущихся объектов нет иного выбора, кроме как следовать изгибам и волнам пространства-времени.

Как и любая другая гибкая поверхность, пространство-время не просто изгибается, но и вибрирует.

Если вы стоите на батуте, вы будете прогибать батут вниз. Если кто-то попытается пройти по батуту рядом с вами, он почувствует вашу «гравитацию» и будет вынужден следовать по извилистой траектории. Но на достаточно большом расстоянии, а «кто-то» не будет чувствовать вашу гравитацию, но он все равно будет двигаться в вашу сторону по искривленной линии.

Но если вы начнете прыгать на батуте, вы будете пропускать волны и дрожь через него и они будут зависеть от вашего движения.

Гравитационные волны действуют таким же образом, передавая энергию через рябь в ткани самого пространства-времени. Эта рябь возникает из-за почти всех возможных видов движения, но поскольку гравитация настолько слаба (это самая слабая сила природы), а гравитационные волны еще слабее, только самые энергичные движения будут способны создавать пульсации, способные быть обнаруженными с помощью инструментов здесь, на Земле.

До сих пор наши гравитационно-волновые обсерватории LIGO и Virgo обнаружили десятки катастрофических событий, связанных со слияниями массивных черных дыр и нейтронных звезд. Гравитационные волны от этих событий распространяются по всей вселенной, омывая Землю. Когда они это делают, они очень ненамного (например на расстоянии меньшее ширины атома) перемещают вещи вокруг них.

Даже тебя, прямо сейчас сжимают и растягивают гравитационные волны на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли.

Почти любое движение вызывает генерацию гравитационной волны, от черных дыр, врезающихся друг в друга, до взмаха рукой.

Когда гравитационные волны распространяются в пространстве-времени, они становятся источником новых гравитационных волн, которые становятся источником новых гравитационных волн, которые становятся источником новых гравитационных волн и так далее. Каждое новое поколение волн слабее, чем предыдущее, но эффект накапливается в том, что ученые называют «памятью» пространства-времени - постоянное его искажение, оставшееся после проходящей гравитационной волны.

Другими словами, когда гравитационные волны накрывают вас, вы не просто растягиваетесь и временно сжимаетесь, вы остаетесь навсегда растянутыми.

Поскольку гравитационные волны настолько слабы, что мы еще не нашли никаких доказательств этой «памяти» пространства-времени, но они должны быть там, скрываясь в данных, взятых LIGO и Virgo.

Недавно группа астрономов проверила, что нужно, чтобы, наконец, увидеть «память» о гравитационных волнах. Поскольку каждое отдельное обнаружение оставляет только невероятно слабую «память», мы не сможем увидеть такие явления один за другим. Вместо этого нам нужно сложить несколько событий, чтобы собрать доказательства, необходимые для этого обнаружения.

А сколько событий нам понадобится? Исследователи предсказывают, что нам нужно будет записать около 2000 отдельных слияний черных дыр, прежде чем мы сможем обнаружить оставшуюся память. Это количество не произойдет в ближайшее время, но следующее поколение обсерваторий, которые как мы надеемся, будут собирать около 10 событий в день, смогут найти эту память в течение года наблюдений.

Эта постоянная память пространства-времени должна быть там - если наши прогнозы из общей теории относительности верны. И если мы не найдем ничего после нескольких лет поисков, нам придется пересмотреть наше понимание гравитации и посмотреть, не упустили ли мы еще что-нибудь.