Международная группа физиков заявила, что явление, предсказанное общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, — «гравитационная память» — может быть наконец обнаружено и подтверждено. Это тонкий след, оставленный гравитационными волнами от космических событий, таких как столкновения черных дыр, который может быть найден в реликтовом излучении — микроволновом фоне Вселенной. Открытие такого рода предоставило бы уникальные данные об эволюции нашей Вселенной.
Согласно общей теории относительности, массивные объекты и экстремальные космические явления, такие как слияние черных дыр, искривляют пространство-время, создавая гравитационные волны. Эти волны распространяются со скоростью света и, в отличие от электромагнитных волн, которые проходят через материю, не изменяя ее структуры, гравитационные волны могут оставлять долговременные изменения в свойствах объектов, через которые они проходят.
Это означает, что даже элементарные частицы, такие как фотоны, могут сохранять «отпечаток» гравитационных волн, включая изменения их скорости. Таким образом, реликтовое излучение, которое является остаточным излучением после Большого взрыва, может содержать следы этих волн.
Хотя существование гравитационных волн было подтверждено в 2015 году с помощью таких инструментов, как LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в США и VIRGO в Италии, их «память» — долговременный след — до сих пор остается неуловимой.
Международная команда исследователей предложила новый подход к обнаружению этого явления. Ученые считают, что гравитационная память может проявляться в виде крошечных колебаний температуры в реликтовом излучении. Эти колебания, по их мнению, вызваны воздействием гравитационных волн на фотоны, которые составляют микроволновый фон Вселенной.
«Мы можем узнать очень многое, — объясняет Кай Хендрикс, аспирант Института Нильса Бора при Копенгагенском университете и соавтор исследования. — Измеряя гравитационную память в сигнале гравитационной волны, мы получаем дополнительную информацию о свойствах черных дыр, которые ее создали: их массе, вращении и расстоянии до нас».
Почему гравитационная память до сих пор не обнаружена? Исследователи смоделировали влияние столкновений черных дыр на реликтовое излучение и пришли к выводу, что такие события действительно могут вызывать заметные изменения в температуре микроволнового фона. Однако эти изменения крайне малы — порядка одной миллиардной градуса.
«Часть света, затронутого гравитационной памятью, становится немного теплее, а другая часть — холоднее, — поясняет Дэвид О’Нилл, аспирант Института Нильса Бора и соавтор исследования. — Эти области с разной температурой образуют характерный узор в небе. Мы ожидаем, что он присутствует в реликтовом излучении, хотя его интенсивность крайне мала».
Современные инструменты, такие как космический телескоп Planck, уже достигли невероятной точности в картографировании реликтового излучения. Однако для обнаружения столь слабых сигналов потребуются новые, более совершенные технологии.
Авторы исследования признают, что их модель пока основана на упрощенных предположениях. Например, они рассматривали слияние черных дыр одинаковой массы, что маловероятно в реальных условиях. В природе массы черных дыр могут варьироваться от нескольких миллионов до десятков миллиардов масс Солнца, что значительно усложняет картину.
«Эффект, который мы изучаем, пока невероятно слаб, — отмечает Хендрикс. — Однако в некоторых областях неба он может быть более выраженным. Чтобы изучить его подробнее, нам нужны более сложные модели, учитывающие полную эволюцию Вселенной. Это непростая задача, но она может приблизить нас к обнаружению этого космического отпечатка».
Подтверждение существования гравитационной памяти вышло бы далеко за рамки простого подтверждения предсказаний Эйнштейна. Это открытие позволило бы ученым узнать больше о частоте столкновений черных дыр в ранней Вселенной, а также изучить другие астрофизические явления, такие как взрывы сверхновых или столкновения нейтронных звезд.
Если гипотеза о гравитационной памяти подтвердится, это станет важным шагом в понимании общей теории относительности и реконструкции космической истории Вселенной.