Элегантным и красивым доказательством положений общей теории относительности Эйнштейна в уходящем году стало первое экспериментальное обнаружение гравитационных волн, доходящих до Земли от далеких и мощных астрофизических событий Вселенной.
Поиск гравитационных волн — это одна из крупнейших проблем современной физики. Согласно ОТО, любая материя, движущаяся с ускорением, создает возмущение пространства-времени — гравитационную волну.
Это возмущение тем больше, чем выше ускорение и масса объекта. Ввиду слабости гравитационных сил по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.
Именно поэтому эксперты справедливо предполагали,
что недавнее открытие гравитационных волн международной коллаборацией LIGO сможет удостоиться Нобелевской премии по физике, которая, впрочем, пока досталась другим ученым.
Как известно, уже три (два точно, одно с низкой достоверностью) слияния черных дыр были зафиксированы Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией LIGO. Поскольку гравитационная волна обладает свойством изменения метрики, попав на прибор, она изменяет длину плеча каждой из систем, и лазерный интерферометр фиксирует это изменение.
Так, 11 февраля 2016 года было объявлено о первом зафиксированном всплеске, который дошел до Земли от двух слившихся черных дыр, второй раз об аналогичном открытии было объявлено в июне. На этот раз слившиеся дыры были более легкими, чем в феврале, — в 14 и 8 масс Солнца.
Слияния черных дыр были найдены благодаря ранее рассчитанному спектру сигнала — иначе говоря, ученые знали заранее, как должен выглядеть гравитационный «звон» от подобных событий. И, поскольку классические черные дыры — объекты, напрямую вытекающие из общей теории относительности, сигналы с LIGO считаются весомым доказательством как справедливости самой ОТО, так и существования черных дыр.
Однако вместе с основным «звоном» от черных дыр были зафиксированы несколько «эхо», которые могут говорить о новой физике и возможном нарушении ОТО у границ черных дыр. По крайней мере, так интерпретируется недавняя публикация трех теоретиков в редакционной статье журнале Nature.
Согласно ОТО, неотъемлемым атрибутом черной дыры является так называемый горизонт событий, залетев за который любая материя или свет уже не может вернуться обратно. Однако не все ученые придерживаются классического представления о черных дырах. Так, в 2012 году теоретик Джозеф Полчински предположил, исходя из соображений квантовой физики, что вместо горизонта событий у черной дыры есть некий высокоэнергетический барьер,
файрвол (от англ. firewall), из высокоэнергичных частиц, с которым столкнется любая падающая на дыру материя.
Вскоре после обнаружения всплесков на LIGO ученые под руководством Витора Кардосо предположили, что если вблизи черных дыр наблюдается отклонение от ОТО, например существует упомянутый «файрвол», то сливающиеся дыры должны помимо основного сигнала создавать слабые «послезвучия» — эхо. Это связано с тем, что при слиянии гравитационные волны запираются между внутренней и внешней границей огненной стены, отскакивают от них и лишь некоторые выходят наружу.
Группа ученых под руководством Ниайеша Афшорди, известного специалиста по квантовой гравитации из Института «Периметр», создали модель. В ней они рассчитали, как выглядел бы сигнал от слияний черных дыр, у которых вместо горизонта событий были барьеры, отражающие гравитационные волны.
Расчеты показали, что помимо главного звона должны наблюдаться отдельные эхо — спустя 0,1, 0,2 и 0,3 секунды.
Обратившись к данным, полученным детектором LIGO, ученые обнаружили такие послезвучия в полученных сигналах, причем на тех же временных интервалах. Проблема в том, что достоверность этих сигналов по общепринятым меркам довольно низка — всего 2,9 сигма.
Это значит, что «сигнал» с вероятностью 1/270 мог оказаться простым шумом. Известно, что сигнал в массиве данных считается пойманным, если его достоверность равняется 5 сигма (вероятность ошибки равна 1/3 500 000). Понять, есть ли нарушающие ОТО «эхо» в сигналах LIGO, помогут будущие наблюдения, сделанные с повышенной точностью.
«Хорошо, что скоро будут получены новые данные в LIGO, полученные с повышенной чувствительностью, и в течение следующих двух лет мы сможем подтвердить их или опровергнуть», — заявил Афшорди.
С осторожностью к предположениям группы Афшорди относиться советуют и опрошенные «Газетой.Ru» российские астрофизики.
«Все эти квантовые структуры являются предметом квантовой гравитации, которой нет, этот файрвол — лишь одна из идей о том, что находится под горизонтом черной дыры, — считает ведущий научный сотрудник отдела релятивистской астрофизики ГАИШ МГУ, доктор физико-математических наук Константин Постнов. — Если само событие (слияние черных дыр) ученые наблюдают с высоким уровнем значимости, то всяческие послесвечения и эхо настолько маленькие, что говорить о них пока преждевременно.
Нужно увеличить чувствительность раз в десять, все эти эффекты пока — заявка на будущее».
Кстати, Константин Постнов был одним из российских соавторов статей 1997 года, в которых были даны теоретические расчеты слияний черных дыр, которые теперь проверяются наблюдениями LIGO.
В том, что из-за низкой достоверности сигнала утверждать что-то определенное пока рано, убежден и академик Валерий Рубаков, мировой специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии. «Статистическая достоверность «сигнала» не очень высока, сигналы с такой достоверностью очень часто рассасываются. Но если это сигнал — значит, ОТО нарушается вблизи горизонта черной дыры.
В целом статья будет иметь позитивное влияние: поиск экзотики в экспериментальных данных — дело благородное, даже если эта экзотика не очень теоретически обоснована, и даже если этот поиск закончится не обнаружением, а экспериментальным пределом. А вдруг повезет? Или будет открыто совсем не то, что искали? Такое редко, но бывает», — пояснил Рубаков «Газете.Ru».
Свой комментарий дал и главный научный сотрудник Астрокосмического центра ФИА, д.ф.-м.н. Павел Иванов.
«В физике черных дыр известен так называемый «информационный парадокс», предложенный Хокингом - куда девается вся информация, падающая в черную дыру? Он особенно существенен, если мы учтем, что согласно опять-таки Хокингу, черные дыры испаряются, причем могут испариться совсем и все, с чем мы останемся, это так называемое «тепловое» или «чернотельное» излучение, которое может быть описано только своей температурой. В квановомеханическом подходе информационный парадокс приводит к сложности описания систем, содержащих черные дыры, с помощью уравнения Шредингера — возможно, самого фундаментального уравнения современной физики.
Было предложено несколько возможных объяснений информационного парадокса. В частности, в 2012 году группой авторов, содержащей в том числе, одного лауреата престижной премии Дирака, была предложена весьма радикальная идея — для того, чтобы совместить принципы квантовой механики с известными свойствами черных дыр, наблюдатель, падающий в черные дыры, должен встретиться с очень энергичным излучением вблизи горизонта событий. Это излучение получило название «файрволл» — огненная стена. Мне такое объяснение совсем не нравится, так как вступает в противоречие с другим фундаментальнейшим принципом современной физики — принципом эквивалентности, который, в частности, приводит к тому, что наблюдатель, свободно падающий в черную дыру,
должен ощущать себя почти так же, как и наблюдатель, покоящийся в пустом пространстве, при условии, что его размеры малы по сравнению с размерами черной дыры.
В этой работе предполагается, что эта огненная стена может быть смоделирована, как полупроницаемая мембрана, находящаяся вблизи горизонта событий. После слияния черных дыр, гравитационное поле образовашейся черной дыры находится в возбужденнном нестационарном состоянии и излучает так называемые «квазинормальные» гравитационные волны. Присутствие мембраны приводит, по словам авторов, к тому, что эти гравитационные волны, отражаясь от нее, приходят к наблюдателю несколько раз, то есть возникает своеобразное «эхо» в сигнале, регистрируемом гравитационноволновой антенной.
Авторы утверждают, что они действительно, нашли признаки такого эха в сигналах, принятых недавно гравитационноволновой антенной LIGO. Мне это кажется спорным, так как, во первых, противоречит принципу эквивалентности, во вторых существуют некоторые технические замечания к статье. В третьих, хотя я не являюсь специалистом по обработке наблюдений, кажется странным, что на рисунках в статье показаны теоретические кривые с «эхом» и без него, шумовая компонента, но не показан сам сигнал.
В любом случае, наличие такого «эха» обязано быть подтверждено специалистами по обработке сигналов из команды LIGO.
Поэтому, с моей точки зрения, говорить о каком-то прорыве в понимании «информационного парадокса» в частности и в понимании физики черных дыр в целом на основании этой статьи нельзя. С другой стороны, попытки выйти за рамки традиционной теории с помощью изучения гравитационных волн от черных дыр, представляются весьма интересными.