Майбутній детектор гравітаційних хвиль у космосі може розкрити таємниці Всесвіту

Нове дослідження показало, що майбутнє виявлення гравітаційних хвиль з космосу зможе знайти нові фундаментальні поля та потенційно пролити нове світло на незрозумілі аспекти Всесвіту.

Міжнародна команда показала безпрецедентну точність, з якою спостереження гравітаційних хвиль за допомогою космічного інтерферометра LISA (Космічна антена лазерного інтерферометра) зможе виявляти нові фундаментальні поля.

Дослідження було опубліковано в Nature Astronomy.

У цьому новому дослідженні вчені припускають, що LISA, космічний детектор гравітаційних хвиль, який, як очікується, буде запущений Європейським космічним агентством у 2037 році, відкриє нові можливості для дослідження Всесвіту.

«Нові фундаментальні поля, зокрема скалярні, були запропоновані в різних сценаріях: як пояснення темної матерії, як причина прискореного розширення Всесвіту або як низькоенергетичні прояви послідовного й повного опису гравітації та елементарних частинок. Тепер ми показали, що LISA запропонує безпрецедентні можливості у виявленні скалярних полів, і це відкриває чудові можливості для тестування цих сценаріїв», - пояснив професор Томас Сотіріу, директор Ноттінгемського центру гравітації.

Спостереження астрофізичних об'єктів зі слабкими гравітаційними полями та малою кривизною простору-часу поки що не надали доказів наявності таких полів. Однак є підстави очікувати, що відхилення від загальної теорії відносності або взаємодії між гравітацією та новими полями будуть більш помітними при великих кривизнах. З цієї причини виявлення гравітаційних хвиль, яке відкрило нове вікно до режиму гравітації сильного поля, являє собою унікальну можливість виявити ці поля.

Інспірали з екстремальним співвідношенням мас (EMRI), в яких компактний об’єкт зоряної маси, або чорна діра, або нейтронна зоря, інспірується у чорну діру в мільйони разів більше маси Сонця, є серед цільових джерел LISA та забезпечує золоту арену для дослідження режиму гравітації сильного поля. Менше тіло виконує десятки тисяч орбітальних циклів, перш ніж зануритися в надмасивну чорну діру, і це призводить до довгих сигналів, які можуть дозволити нам виявити навіть найменші відхилення від передбачень теорії Ейнштейна та Стандартної моделі фізики елементарних частинок.

Дослідники розробили новий підхід до моделювання сигналу та вперше провели строгу оцінку здатності LISA виявляти існування скалярних полів у поєднанні з гравітаційною взаємодією, а також вимірювати, скільки скалярного поля несе невелике тіло. EMRI. Примітно, що цей підхід є теоретико-агностичним, оскільки не залежить ні від походження самого заряду, ні від природи маленького тіла. Аналіз також показує, що таке вимірювання можна відобразити на чіткі межі теоретичних параметрів, які відзначають відхилення від загальної теорії відносності або стандартної моделі.

LISA буде присвячена виявленню гравітаційних хвиль від астрофізичних джерел, працюватиме в сузір'ї з трьох супутників, що обертаються навколо Сонця на відстані мільйонів кілометрів один від одного. LISA буде спостерігати гравітаційні хвилі, що випромінюються на низьких частотах, у діапазоні, недоступному для наземних інтерферометрів через шум навколишнього середовища. Видимий спектр для LISA дозволить вивчати нові сімейства астрофізичних джерел, відмінні від спостережуваних Virgo і LIGO, як EMRI, що відкриє нове вікно до еволюції компактних об’єктів у великому різноманітті середовищ нашого Всесвіту.