В последние моменты слияния две нейтронные звезды не просто испускают гравитационные волны – происходит взрыв катастрофической мощности, отзывающийся по всему электромагнитному спектру. Разница во времени прибытия между светом и гравитационными волнами позволяет нам многое узнать о Вселенной
Спросите астрофизика о величайшей загадке Вселенной на сегодня – и два наиболее частых ответа будут «тёмная материя» и «тёмная энергия». То, из чего состоит всё на нашей Земле, атомы, которые в свою очередь состоят из фундаментальных частиц, составляют лишь 5% бюджета космической энергии. И либо 95% энергии Вселенной содержится в двух этих формах, в форме тёмной материи и тёмной энергии, которые по сию пору не наблюдались напрямую, либо с нашим представлением о Вселенной что-то кардинально не так. Альтернативы этим теориям исследовали достаточно долго, и различные их варианты проводили к немного различным физическим последствиям. После того, как мы впервые пронаблюдали слияние нейтронных звёзд и приняли сигналы в виде гравитационных волн и света довольно широкого спектра, огромная часть этих альтернатив была отвергнута. Тёмная материя и тёмная энергия выдержали проверку экспериментом.
Ультрамассивное динамическое галактическое скопление Abell 370, гравитационная масса которого (а по большей части это – тёмная материя) отмечена синим
В астрофизике и космологии есть несколько крупных загадок, которые должны были решить тёмная материя и тёмная энергия. В части тёмной материи они по большей части связаны с формированием, вращением и скапливанием галактик, а в части тёмной энергии они связаны со скоростью расширения Вселенной и её эволюцией во времени. Некоторые из наблюдений можно оправдать, немного доработав теорию гравитации, и для этого не потребуются тёмная материя и тёмная энергия. Люди, работающие над этими доработками, надеются, что найдут одну, правильную – такую, что также сможет сделать новые предсказания, отличающиеся от предсказаний теорий тёмной материи и тёмной энергии – и что их можно будет проверить.
Формирование космической паутины управляется тёмной материей, а самых крупномасштабных структур – скоростью расширения и тёмной энергией. Небольшие структуры, расположенные вдоль нитей, формируются благодаря коллапсу обычной материи, подверженной электромагнитным взаимодействиям.
Но модификация гравитации, будь то попытки объяснить тёмную материю или тёмную энергию (не говоря уже о том, чтобы объяснить обе теории сразу) — игра, в которую необходимо играть очень осторожно. Общую теорию относительности Эйнштейна уже всесторонне испытали, и её предсказания каждый раз выполнялись. Модифицируя гравитацию, вы изменяете эту теорию, поэтому это нужно сделать так, чтобы не противоречить всем уже сделанным наблюдениям и измерениям. В результате многие варианты изменений отправились в ещё не очень хорошо испытанную область: ту, что позволяет скорости распространения гравитации меняться. В теории Эйнштейна скорость гравитации равна световой, всегда и точно. Но во многих альтернативных теориях это предположение изменяют.
Крупномасштабная проекция в симуляции Illustris project на смещении z = 0, с центром в наиболее массивном скоплении на глубине в 15 Мпк/h [h – безразмерный параметр Хаббла / прим. перев.]. Демонстрирует переход плотности тёмной материи (слева) в плотность газа (справа). Конфигурацию крупномасштабных структур Вселенной нельзя объяснить без тёмной материи, хотя попытки модификации гравитации проводятся.
Обычно считается, что тёмная энергия – это космологическая постоянная, и что скорость света и гравитации тоже являются постоянными (и равными друг другу). Альтернативные формулировки добавляют нечто более сложное: скалярное поле или набор дополнительных полей. Это общее место моделей модификации – таких, как галилеевский ковариант, массивная гравитация, гравитация с массивным гравитоном, теория Эйнштейновского эфира, тензор-вектор-скалярная гравитация, гравитация Хоравы. Во многих случаях, в зависимости от того, как скалярное поле взаимодействует со стандартным гравитационным (тензорным) полем Общей теории относительности, скорость гравитации получается либо отличной от скорости света, либо меняющейся во времени. Но тот факт, что гамма-лучи и гравитационные волны от события GW170817 слияния нейтронных звёзд пришли с разницей в 1,7 с, означает, что скорость гравитации должна быть равной скорости света с погрешностью не более, чем 10-15.
Все безмассовые частицы перемещаются со скоростью света, включая фотоны, глюоны и гравитационные волны, и переносят электромагнитные, сильные ядерные и гравитационные взаимодействия, соответственно. Практическое совпадение времени прибытия гравитационных и электромагнитных волн от GW170817 чрезвычайно важно.
В результате было опровергнуто большое количество альтернатив стандартной ОТО со стандартной тёмной энергией. То, что разница в 1,7 с между световым и гравитационным сигналом на расстоянии в 130 млн световых лет настолько мала, означает, что скорость гравитации не может меняться со временем, или быть систематически больше или меньше скорости света. Добавляя скалярное поле к тензорной теории гравитации, вы получаете два основных эффекта:
- Появляется тензорный член дополнительной скорости, увеличивающий скорость распространения гравитационных волн.
- Шкала эффективной планковской массы меняется на космических мастшабах времени, что изменяет затухание гравитационных волн при расширении Вселенной.
То, что скорость света и скорость гравитации равны с такой точностью, говорит о том, что все теории с модификациями такого типа серьёзно ограничены, и что большинство подобных моделей, по сути, опровергнуты.
Многие модификации гравитации, отвергающие тёмную энергию, были опровергнуты благодаря времени прибытия гравитационных и электромагнитных волн
В случае с тёмной материей попыткам создания модифицированной гравитации пришлось ещё хуже. Большая часть модификаций меняет закон взаимодействия массивных объектов, что меняет гравитационный потенциал в регионах пространства-времени, содержащих массу. Когда двигающиеся со скоростью света объекты, такие, как фотоны или гравитационные волны, проходят через это пространство, эти сигналы замедляются по правилам ОТО: эффект Шапиро. На расстоянии в 130 млн световых лет стоящая на пути материя должна задержать этот сигнал примерно на три года, если верно стандартное представление о тёмной материи. Но если изменить гравитацию так, чтобы избавиться от тёмной материи, вы серьёзно измените свойства распространения гравитационных волн сквозь пространство.
Когда свет, гравитационные волны или любая безмассовая частица проходит через участок пространства, содержащий большое количество материи, из-за искажения этого пространства путь искривляется, что приводит к задержке времени прибытия. В большинстве теорий модифицированной гравитации задержки для света и гравитационных волн будут отличаться.
У модифицированных теорий гравитации без тёмной материи, таких, как TeVeS или MoG/Scalar-Tensor-Vector, есть особенность – гравитационные волны в них распространяются по геодезическим кривым – разным путям в пространстве-времени – отличающимся от тех, которым следуют фотоны и нейтрино. Кратко говоря, гравитационные волны должны перемещаться по путям, определяемым только нормальной материей, а фотоны и нейтрино должны перемещаться по путям, определяемым эффективной массой: нормальной материей в сумме с эффектами, эмулирующими тёмную материю. Такое различие привело бы к наличию разницы во времени прибытия фотонов и гравитационных волн в примерно 800 дней, а не наблюдавшихся в реальности 1,7 с.
С учётом перекрёстной корреляции гравитационных волн и электромагнитных сигналов эти варианты без тёмной материи опровергнуты.
Различные источники массы в NGC 4993, где произошло слияние нейтронных звёзд, и их влияние на задержку прохождения света и гравитационных волн
Когда гравитационные волны и фотоны (электромагнитные волны) распространяются в пространстве, кривизна и расширение пространства влияет на них абсолютно одинаково. То есть, пока вы пользуетесь ОТО. Если вы измените теорию гравитации – чтобы попытаться избавиться от тёмной материи и/или тёмной энергии, к примеру – тогда на гравитационные волны будет влиять только материя и её масса, а эффекты модификации затронут фотоны и другие частицы. Поскольку гравитационные волны и световые сигналы от слившихся нейтронных звёзд прибыли одновременно, они двигались через пространство с одной и той же скоростью, и испытали одинаковое замедление. Ткой точности достаточно, чтобы исключить лидирующих кандидатов на модифицированную теорию гравитации без тёмной материи.
Карты рентгеновского излучения (розовый) и общего количества материи (синий) различных сталкивающихся галактических скоплений демонстрируют чёткое разделение между нормальной материей и гравитационными эффектами – одно из наиболее убедительных доказательств существования тёмной материи. Альтернативным теориям теперь приходится быть настолько притянутыми, что многие считают их просто смешными.
Пока ещё существует несколько натянутых моделей, сохраняющих надежды на модифицированную гравитацию – к примеру, нелокальные теории гравитации (в которых гравитационные эффекты и расположение масс не совпадают), или теории, в которых гравитационные волны и электромагнитные волны подчиняются разным правилам. Но даже эти идеи серьёзно ограничены новыми наблюдениями за гравитационными волнами, и им требуется всё сильнее и сильнее напоминать эффекты тёмной материи и тёмной энергии, чтобы выжить. Модифицированная гравитация пока ещё не канула в лету, но многие из величайших её надежд только что разбились. Эйнштейн же, со своей теорией в её первоначальном, неизменённом варианте, до сих пор живёт.
Комментарии (26)
Tyrauriel
24.03.2018 14:46+1<Слышал звон>А струнная теория является альтернативой темной материи?</не не знаю где он>
erwins22
24.03.2018 15:34-3В ней может существовать (так как там вариантов куча, то во многих и должна) темная материя.
Что там с Торсионной механикой (Энштеин Катран)?
Что там с волновой гравитацией? ( )erwins22
25.03.2018 08:17почему минуса?
Shkaff
25.03.2018 12:52Предположу, за слово "торсионный". Народ просто не в курсе. На всякий случай, для них: торсионная версия ОТО — вполне научная теория, где в добавок к обычной кривизне пространства времени есть еще кручение — изменение углов при параллельном переносе. Это кручение изменяет угловой момент вращающегося тела в гравитационном поле.
Кстати, народ неметрическую версию ее вполне изучает, только там полно сложностей, но вот буквально пару дней назад слушал доклад на конференции.erwins22
25.03.2018 13:33Как там с проверкой Энштеин Катран, так же глухо как 10 лет назад?
Волновая гравитация (эмпирическая гипотеза) опровергнута?
Что вообще слышно?Shkaff
25.03.2018 14:02А что там проверять-то? Там без проверки проблем куча.
О волновой гравитации слышу в первый раз, и гугл выдает всяких фриков.
erwins22
25.03.2018 14:45Имеется ввиду придумали вариант экспериментальной проверки торсионной теории? Математически она более корректна чем ОТО, так как не включает особенностей вроде.
С волновой следующая фигня. Заложили формулу гравитации с добавлением синуса ну и получили вращение галактик в принципе похожее и распределение галактик вроде тоже похожее. Что дальше было не знаю. Гипотеза ОТО не совместимая и значит не пройдет ее тестов.
И если есть конференции по этому на yoгtube можно ссылку?Shkaff
25.03.2018 15:01Не слышал про эксперимент, но кажется, что напрямую сложновато проверить, измерять вращение с большой точностью мы не умеем, так что реальные экспериментальные последствия могли быть только на уровне параметров частиц, но это вроде как не наблюдают. Но опять же, слишком мало людей работает над ней, чтобы эффективно придумывать эксперименты, все в основном пытаются с математикой до конца разобраться.
Насчет "более корректна" — математически особенности не являются признаком некорректности. Это как раз физически мы думаем, что сингулярностей быть не должно.
Про волновую прокомментировать не смогу.
Ilya81
24.03.2018 23:59Я об этом ж подумал. Тем более, что мне всё равно утверждения о тёмной материи кажется подобием теорий теплорода и эфира (которая была до ОТО). Вообще, какой может быть эта тёмная материя? Может ли тёмная материя образовывать скопления вроде звёзд и планет? Если да, то могут ли всякие «тёмные астеродиы» прилетать в солнечную систему — вроде как ничто не мешает? А если тёмная материя не взаимодействует, то они и сквозь планеты могут пролетать, если у них досаточная скорость, а ведь у каких-то из них будет. Но если их общая масса огромна, а гравитационно они воздействуют, то почему они не сбивают планеты со своих орбит? Есть ли объяснение тому, почему при этом орбиты планет стабильны. Или для тёмной материи другая формула гравитации? Или тёмная материя как-то особенно равномерно распределяется, не образуя даже астероидов? Но это как, у самой тёмной материи другие гравитационные свойства? Может тёмная материя сосредоточена большей частью в ядре галактики? Но тогда будет ли объяснение известным гравитационным воздействиям? На эти вопроса есть ответы?
DmitryTyurev
25.03.2018 20:14Темная материя не образует астероидов, поскольку она не собирается в комки (не взаимодействует электомагнитно сама с собой).
paluke
24.03.2018 17:14+2Нейтрино — фермион, подчиняется принципу запрета Паули. Масса у него маленькая — длина волны де Бройля большая. Реликтовые нейтрино, оставшиеся от Большого взрыва, имеют низкую энергию. В связи с этим вопрос — может ли давление вырожденного газа нейтрино быть темной энергией? Я как-то пытался посчитать, при найденных где-то в интернете оценках количества реликтовых нейтрино, какая у него должна быть масса, чтобы давление вырожденного газа соответствовало плотности темной энергии. Получилось на пару порядков меньше, чем найденная также где-то в интернете масса, но там вроде бы была только оценка сверху на массу...
bircoph
25.03.2018 20:14Нет, оценка вклада реликтовых нейтрино в тёмную материю уже делалась, они дают менее 10%.
thatsme
24.03.2018 17:19Что интересно, в предыдущем посте на эту тему, причём от Итана, про тёмную энергию и тёмную материю ничего небыло. И Итан, как обычно сказал «не знаю» почему разница вообще возникла, возможно среда мешала. Вообще новости на тему «за» и «против» т.э. и т.м. после события (наблюдение слияния нейтронных звёзд), разительно расходятся. По факту никаких чётких доказательств или опровержений пока нет. Есть какое-то религиозное мракобесие на эту тему. Или мне это просто так со стороны кажется?
hippohood
24.03.2018 19:26Итан (В числе многих) привел две хорошие причины, которые по отдельности и в комбинации могут привести к наблюдаемой задержке. Наличие массы большой плотности вокруг столкнувшихся звезд и материя собственно звезд если испущенные ЭМ волны родились в их глубине. Оба факта имеют место быть, но у нас пока нет настолько подробных моделей чтобы утверждать что задержка в пару секунд (а не в пару часов например) это нормально. Именно это "Не знает" Итан. За следующие несколько лет напрочь больше данных и можно будет точно сказать что это не счастливая случайность и гравитационный и ЭМ приходят с интервалом в пару секунд вне зависимости от направления, расстояния (и соответственно времени события). Тогда все альтернативные теории должны будут учитывать этот факт и будут еще больше напоминать ОТО.
thatsme
24.03.2018 21:48Именно это «Не знает» Итан
Я очень рад слышать честное «не знаю». Мне кстати эта последняя статья Итана именно этим и понравилась. Ни одной стандартной картинки и ничего лишнего в ней небыло. Но мне не нравится когда говорят: «мы не уверены, но нам кажется», при этом начиная сваливаться в иррациональную эскаллацию и предвзятость подтверждения.
LanMaster
24.03.2018 19:58А есть вероятность, что мы всё ещё не дождались излучения от места события?
kauri_39
24.03.2018 22:17-3"Когда гравитационные волны и фотоны (электромагнитные волны) распространяются в пространстве, кривизна и расширение пространства влияет на них абсолютно одинаково. То есть, пока вы пользуетесь ОТО."
Правильно, поэтому и в будущей теории гравитации, для которой ОТО станет частным случаем, такое поведение пространства должно одинаково влиять на распространение гравитационных и световых волн. Расширяется ли пространство за космологический горизонт, расширяется ли оно локально — в сторону массивных объектов, создавая эффект своего искривления и увлечения, оно одинаково влияет на прохождение в нём одинаковых в сущности поперечных волн — гравитационных и электромагнитных. И те теории, в которых это очевидное условие не выполняется, отсеиваются нафиг.
Но при этом условии наличие тёмной материи совершенно не обязательно. Она ведь нужна лишь для сообщения барионной материи дополнительного центростремительного ускорения, направленного к центрам масс скоплений самой барионной материи. Это ускорение позволяло её частицам быстро сгущаться в протогалактические облака, а теперь удерживает быстро вращающиеся звёзды и галактики в их системах. А его может создавать само пространство, которое постоянно расширяется и втекает в массивные объекты из-за его поглощения их материей.
Поэтому чем больше теорий отсеивают наблюдения космических процессов, тем лучше. Тем больше появляется свободных физиков, из которых кто-нибудь наконец-то сможет выразить этот механизм гравитации в математическом виде. И это будет теория квантовой гравитации, поскольку в ней будет описываться процесс поглощения квантами материи квантов пространства — энергетически плотной квантованной среды. Некоторые физики, например, Штейнхауэр, именно так моделировали гравполе чёрной дыры для поиска излучения Хокинга.
Rikkitik
25.03.2018 03:19Вы так много времени убиваете на попугайное повторение одних и тех же своих ничем не обоснованных философских тезисов, что уже успели бы вместо этого изучить на нормальном уровне математику, начать понимать нормальные научные статьи и даже проработать математический аппарат собственной гипотезы (или окончательно убедиться в её ошибочности). Пока же вы тратите своё время потрясающе бесполезным способом, категорически отказываясь и узнавать новое, и обдумывать старое.
kauri_39
25.03.2018 22:57-2У меня встречное предложение: потратить часть своего времени на изучение философии. У физиков с ней проблема, включая местных. Это показал мой простенький тест по выявлению очевидной связи сущности гравволн с сущностью гравполя.
В нём спрашивается: если колебательное движение зеркал гравитационных интерферометров есть следствие колебательного движения пространства — сущности гравволн, то и поступательное движение тел, свободно падающих в гравполе, есть следствие поступательного движения пространства — сущности гравполя?
Слабо вам или вашим ортодоксальным коллегам пройти этот тест? Выбор ответов невелик: или вы, рискуя попасть во фрики, соглашаетесь с логикой вопроса, или посылаете нахрен логику, лишь бы остаться в стане ортодоксов.
Успокою: никто из известных мне физиков тест не прошёл, так что первым вы не будете. Кто отмалчивался, кто менял формулировку теста — переходил на ОТОшные абстракции, описывающие гравволны и гравполе. Это значит, что физикам не только не хватает смелости и знаний философии, им и знаний математики тоже не хватает. Потому что мало согласиться с очевидной сущностью гравполя, нужно её математически обосновать, если ты физик, а на это не хватает знаний. Поэтому и молчат, ждут нового Эйнштейна. И я подожду, но — деятельно: продолжу повторять свои философские тезисы по каждому подходящему поводу. Пусть с ними знакомятся новички в GT, и когда поглотительный механизм гравитации обзаведётся своим математическим аппаратом, станет мейнстримом, это не будет для них неожиданностью.Rikkitik
26.03.2018 00:14Сударь, у меня в графе кандидатского «Философия» стоит 10 баллов из 10. Так что позвольте перейти в ваше поле и задать вам вопрос, аналогичный по простоте и степени логичности вашему: крокодил более длинный, чем зелёный, или более зелёный, чем длинный? (Подсказка: вы исходите из ошибочных посылок типа «пространство — сущность гравволн», забывая, что пространство ничего не знает про сущности, оно просто имеет определённый способ бытия, на который вы не можете повлиять сколь угодно изящными словесными конструкциями).
Rikkitik
26.03.2018 01:43Позвольте добавить: философия — это группа абстракций, имеющих отношение к процессу познания реального мира, но ни в коем случае не к самому реальному миру. Там, где нет людей, природа отлично обходится без философии. Математика — другая группа абстракций, имеющая отношение к реальному миру и с некоторой долей натяжки — к его познанию. Математические закономерности были до возникновения человека и продолжат быть после исчезновения нашего вида, им нет дела, знает о них кто-то или нет. И никакие ваши шитые белыми нитками софизмы не изменят закономерностей движения тел в искривлённом пространственно-временном континууме.
4erdak
26.03.2018 03:22Много пафоса от Итона. Во первых, на наличие ТМ указывают расчеты исходя из ньютоновской теории гравитации, так что его «борьба» с альтернативными теориями для ОТО выглядит как вйна с ветряными мельницами. Во вторых я так и не понял к чему здесь вообще «темная энергия», на сколько я знаю, погрешность той постоянной Хаббла вычисленной на основе метода ГВолн выше той, которую мы имеем исходя из расчетов на основании РИ и измерения цефеид со сверхновыми 1а.
Anc
А этих дядек почему не озвучиваете? don-beaver.livejournal.com/196412.html
Pshir
Тут же перевод. Итан Сигель про этих дядек мог и не слышать.