Ученые из Института теоретической физики Ганноверского университета Лейбница разработали новый метод, который решает одну из фундаментальных проблем современной физики: как точно измерить гравитационные волны в условиях постоянно расширяющейся и меняющейся Вселенной.
Читайте также:
Слом астрофизики. Космический телескоп JWST нашел черную дыру, которая старше собственной галактики Результаты исследования подруководством доктора Гийема Доменека открывают путь к более надежным теоретическим прогнозам для будущих космических обсерваторий.
Гравитационные волны — это микроскопические искривления пространства-времени. Их впервые обнаружили прямым методом в 2015 году, что открыло новую эру в астрономии: ученые получили способ наблюдать за космическими событиями без помощи света. С тех пор исследователи научились хорошо расшифровывать волны, распространяющиеся через преимущественно пустые и спокойные участки космоса — например, сигналы от слияния черных дыр. В таких случаях задача относительно проста: волну можно рассматривать как небольшое возмущение на фоне стабильного пространства-времени,
где волна и фон разделяются достаточно естественно.
Но когда на арену выходит космология — все усложняется. Теперь речь идет уже не о волне в спокойном участке пространства, а о вселенной в целом — со всеми ее звездами, галактиками, черными дырами и крупномасштабной структурой. Этот фон не стоит на месте: Вселенная расширяется, вещество распределено неравномерно, а постоянные колебания плотности и скорости непрерывно влияют на пространство-время. Все это делает чрезвычайно сложным простой, казалось бы, вопрос: где заканчивается фон и где начинается гравитационная волна? И что именно измеряет детектор гравитационных волн, когда вся Вселенная находится в движении?
Чтобы представить масштаб проблемы, можно воспользоваться образным сравнением: это все равно что пытаться измерить рябь на поверхности пруда, когда сам пруд при этом медленно меняет форму.
Именно эту проблему и решили Доменек с коллегами, разработав подход, основанный не на абстрактных математических компонентах гравитационного поля, а на том, что реальный прибор на самом деле зарегистрирует. В их модели два свободно падающих тела или атомные часы,
соединенные пучком света. Когда через них проходит гравитационная волна, она едва изменяет время, за которое свет преодолевает расстояние между ними. Этот сдвиг и становится измеримым сигналом — в виде изменения частоты или момента прибытия.
Исследователи вывели эту измеряемую величину независимым от системы координат способом, учитывая эффекты второго порядка в космических возмущениях — то есть описали сигнал детектора так, чтобы не путать реальный физический эффект с артефактом математического языка, которым описывается Вселенная.
«Детекторы гравитационных волн измеряют разницу в частотах и моментах прибытия световых пучков», — объясняет Доменех. «Мы вычисляем эти величины точно в условиях расширяющегося пространства-времени и четко отделяем то, что действительно можно измерить, от эффектов, зависящих от математического описания. Это гарантирует, что теоретические прогнозы для будущих экспериментов являются строгими и надежными».
Читайте также:
Услышать эхо черных дыр. Китай завершил наземные тесты оптического ядра для детектора гравитационных волн
