Данные LIGO наложили ограничения на массу гравитонов

Изображение галактики NGC 6240. X-ray: NASA/CXC/MIT/ C.Canizares, M.Nowak; Optical: NASA/STScI Изображение галактики NGC 6240. X-ray: NASA/CXC/MIT/ C.Canizares, M.Nowak; Optical: NASA/STScI

Физики-теоретики из Италии и Германии рассмотрели теорию биметрической гравитации, в которой обычный метрический тензор дополняется стерильным, и показали, что в этой теории детекторы гравитационных волн должны регистрировать не один, а два последовательных сигнала, разделенных небольшим промежутком времени. Используя существующие экспериментальные данные, ученые оценили массу гравитонов и угол смешивания теории. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Если гравитоны — гипотетические переносчики гравитационного взаимодействия — имеют массу, скорость гравитационных волн будет отличаться от скорости света. Одной из наиболее продуманных теорий массивных гравитонов, не противоречащей экспериментальным наблюдениям, является теория биметрической гравитации (бигравитации). В этой модели к метрическому тензору g Общей теории относительности (ОТО), который описывает геометрию пространства-времени и отвечает обычным гравитонам, добавляется еще один, стерильный, тензор , отвечающий еще одному типу гипотетических частиц. Сам по себе этот тензор себя никак не проявляет, однако он связан с обычным метрическим тензором и позволяет реализовать механизм Штюкельберга, который является аналогом механизма Хиггса и придает гравитонам массу.

Важно заметить, что эффекты бигравитации проявляются только вне сферы Вайнштейна, а внутри нее она полностью воспроизводит ОТО. Чем меньше масса гравитонов, тем больше радиус этой сферы – так, для гравитонов с массой порядка mg ~ 10−22 электронвольт радиус сферы Вайнштейна примерно равен rV ≈ 8×1011 метров, что сравнимо с радиусом орбиты Земли, а для безмассовых частиц rV стремится к бесконечности, воспроизводя ОТО во всем объеме Вселенной. Подавляющее большинство астрофизических процессов  происходят в границах куда меньшего радиуса, а потому теорию бигравитации в них можно не учитывать. Тем не менее, при распространении гравитационных волн на большие расстояния эффекты этой теории становятся существенными, и обычные гравитоны начинают превращаться в стерильные, напоминая осцилляции нейтрино.

В этой статье физики-теоретики Кевин Макс (Kevin Max), Мориц Платшер (Moritz Platscher) и Юрий Смирнов (Juri Smirnov) исследовали, как эффекты бигравитации вызывают декогеренцию гравитационных волн, а также вычислили ограничения на массу mg и угол смешивания θ гравитонов, опираясь на результаты измерений обсерватории LIGO. Грубо говоря, угол смешивания описывает, какая из мод — обычная или стерильная — преобладает в теории; в пределе θ → 0 бигравитация воспроизводит ОТО.

Выписывая и варьируя действие теории, физики получили уравнения, которым подчиняются обычная и стерильная компоненты гравитационной волны, излученной в результате слияния двойной системы. Оказалось, что частота колебаний компонент немного отличается, и со временем они перестают быть скоррелированы. При этом корреляция пропадает тем быстрее, чем выше масса гравитонов — например, при массе mg ~ 10−21 электронвольт декогеренция наступает на расстоянии Lcoh ≈ 1 гигапарсек, а при mg ~ 10−20 это случается уже на Lcoh ≈ 10 мегапарсек. С другой стороны, из-за разной частоты колебаний компоненты перемешиваются, и детектор регистрирует не один, а сразу два сигнала, разделенных небольшим промежутком времени (порядка нескольких десятков секунд) и пропорциональных квадрату синуса и косинуса угла смешивания θ. Следовательно, измеряя отношение амплитуд сигналов и задержку между ними, можно определить параметры теории.

Правда, ни один из шести сигналов, которые LIGO зарегистрировала за последние полтора года, не сопровождался дополнительным сигналом. С одной стороны, это можно списать на небольшое расстояние до излучавших гравитационные волны систем. С другой стороны, второй сигнал мог просто потонуть в шуме, если его интенсивность была недостаточно велика (то есть если угол смешивания близок к нулю). Учитывая обе этих причины, ученые рассчитали, какие масса гравитона и угол смешивания укладываются в экспериментальные данные. Оказалось, что угол смешивания может лежать либо в диапазоне 0 < θ < π/16, либо в диапазоне 7π/16 < θ < π/2, а масса гравитонов не превышает mg ~ 10−22. При других значениях параметрах отклонение от ОТО было бы слишком заметным.

Зависимость интенсивности зарегистрированных сигналов во время события GW170817 от угла смешивания. Красная пунктирная горизонтальная линия отвечает уровню шума, серая область — исключенному диапазону угла. K. Max et al. / Phys. Rev. D

Области значений величины угла смешивания и массы гравитона, исключенные на основании события GW170817 (красная область), всех шести событий, зарегистрированных LIGO (красная + синяя области) и тем фактом, что в Солнечной системе эффекты бигравитации не проявляются (серая область). K. Max et al. / Phys. Rev. D

Также стоит отметить, что расстояние до источника волн рассчитывается по интенсивности более сильной компоненты, а потому оказывается пропорционально квадрату косинуса угла θ. Из-за этого расстояние до источника волн, вычисленное по формулам ОТО, оказывается заниженным, и оценки на среднюю частоту слияний, которые можно зарегистрировать с помощью детекторов LIGO и Virgo, нужно пересчитать. Теоретически, это тоже позволяет установить ограничения на параметры модели, поскольку приводит к увеличению числа зарегистрированных событий с большим красным смещением. Однако на данный момент число достоверно зарегистрированных событий слишком мало, а погрешности слишком велики, чтобы говорить о каких-то результатах.

Зависимость от угла смешивания отношения частоты слияний, рассчитанной на основании теории бигравитации, в сравнении с расчетами ОТО — при текущем уровне развития детекторов. K. Max et al. / Phys. Rev. D

Зависимость от угла смешивания отношения частоты слияний, рассчитанной на основании теории бигравитации, в сравнении с расчетами ОТО — для улучшенных детекторов. K. Max et al. / Phys. Rev. D

В августе прошлого года обсерватории LIGO/Virgo зарегистрировали гравитационные волны, пришедшие практически одновременно с гамма-излучением от двух сливающихся нейтронных звезд. Это позволило установить жесткие ограничения на скорость гравитации и проверить экзотические теории, в которых часть энергии гравитационных волн «утекает» в дополнительные измерения.

Вообще говоря, экспериментальных подтверждений существования гравитонов нет, и в ближайшее время они вряд ли появятся. В то же время, если теоретически оценить число гравитонов, заполняющих видимую Вселенную, можно получить, что их почти на двадцать больше, чем всех других частиц, вместе взятых.

Автор: Дмитрий Трунин

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (2 votes)
Источник(и):

nplus1.ru