Если мы хотим найти дополнительные измерения в нашей Вселенной, то есть то, о существовании чего нам пытается объяснить так называемая Теория струн, то нам следует обратить наше внимание на гравитационные волны. Потому что именно они могут являться ключом к их открытию, говорят физики.

Именно так можно кратко описать идею новой гипотезы, которая пытается найти ответ на нерешенную загадку физики: почему гравитация по факту оказывается слабее, чем другие фундаментальные силы нашей Вселенной? Согласно новой гипотезе, «утечка» гравитации ведет как раз в иные измерения, которые нам еще только предстоит обнаружить.

«Вероятность существования других измерений обсуждается уже довольно давно и с совершенно разных точек зрения», — говорит Эмильян Дудас из Политехнической школы в Париже.

«Гравитационные волны, в свою очередь, могут стать ключом к открытию этих дополнительных измерений».

Сейчас широко принимаемой является идея о четырех измерениях — трех пространственных (длина, ширина, высота) и одного временного (времени). Однако наши знания о том, как ведет себя материя на самых малых масштабах, содержат множество пробелов, заполнить которые могли бы дополнительные шесть измерений. Так считает Теория струн, согласно которой все во Вселенной можно было бы гораздо проще понять и объяснить, если бы мы согласились с идеей о существовании 10 измерений. Кроме того, Теория струн рассматривается в качестве наиболее вероятного способа наконец заполнить пробелы между классической и квантовой физиками, став основой для будущей теории квантовой гравитации.

Согласно данной теории, мельчайшие частицы материи, которые мы способны засечь, кварки, на самом деле могут состоять из еще более мелких частиц – одномерных волокон энергии, своим поведением напоминающих вибрирующие струны. Эти «струны» очень интересуют ученых по одной простой причине. Есть мнение, что они смогут сделать то, что не в состоянии сделать наша современная физика, а именно: точно описать все известные нам наиболее фундаментальные силы, включая гравитацию, электромагнетизм и ядерные силы. Они также способны помочь нам понять, почему Вселенная по-прежнему расширяется. Однако основная (и, пожалуй, единственная существенная) проблема заключается в том, что для своего математического обоснования они (струны) требуют наличия как минимум 10 измерений. И беда в том, что мы пока не приблизились даже к тому, чтобы открыть одно-единственное дополнительное.

Тем не менее физики Густаво Лусена-Гомез и Дэвид Андриот из Института физики Макса Планка в Германии убеждены, что надежда на открытие этих дополнительных измерений у нас есть. И этой надеждой являются гравитационные волны, давным-давно предсказанные великим Эйнштейном и только совсем недавно подтвержденные современными учеными.

Гравитационные волны стали одной из самых горячо обсуждаемых тем прошлого года, когда физики из LIGO – двух гигантских обсерваторий, расположенных в американских штатах Луизиана и Калифорния, – объявили о том, что впервые обнаружили прямые доказательства существования так называемой ряби пространства-времени, которую около 100 лет назад предсказал Эйнштейн. Эти волны путешествуют через пространство-время со скоростью света и появляются в результате одних из самых катастрофических событий во Вселенной, таких как слияние черных дыр или взрывы звезд. Они способны проходить и тем самым влиять на все известные нам измерения во Вселенной и, скорее всего, даже на те, которые мы пока не способны обнаружить.

«Если во Вселенной имеются дополнительные измерения, то логично было бы предположить, что гравитационные волны будут существовать во всех этих измерениях», — комментирует Гомез.

Гомез и Андриот вывели математическую модель, описывающую предполагаемые эффекты воздействия гравитационных волн на измерения, и определили два ключевых фактора. Во-первых, по мнению исследователей, дополнительные измерения могут проявить себя благодаря высокочастотным гравитационным волнам. Во-вторых, в разных измерениях гравитационные волны должны по-разному влиять на растяжение «ткани» Вселенной.

По мнению исследователей, в первом случае для обнаружения потребовалось бы наличие оборудования, в тысячи раз более чувствительного, чем у той же LIGO.

«Нам еще не встречались астрофизические процессы, создающие гравитационные волны с частотой гораздо выше 1000 Гц, поэтому, при наличии соответствующего сверхмощного и чувствительного детектора, мы бы сразу поняли, свидетелем чего мы являемся. Определение частот такого уровня могло бы намекать на открытие новой физики».

А второй случай потребует от физиков изучения аномальных изменений во влиянии на пространство-время «обычных гравитационных волн» (то есть тех, которые мы можем определить уже сейчас) и тех, которые имелись бы у гравитационных волн из других измерений.

«Деформация пространства-времени была бы представлена в определенном, отличительном от всего остального виде», — сообщают ученые.

Научный обозреватель Newsweek Ханна Осборн более оптимистично смотрит на возможность обнаружения дополнительных измерений за счет их влияния на гравитационные волны. По ее мнению, потребуется детектор с уровнем чувствительности сразу трех лабораторий LIGO, работающих как единое целое. Осборн считает, что «такие технологии станут доступны уже в ближайшем будущем».

Существование других измерений может быть тем самым ответом современной физики, который так давно и настойчиво ищут ученые. Другие измерения могли бы привести к созданию единой теории о Вселенной, которая примиряла бы теорию квантового поля с общими принципами относительности.

Мнение о вероятности существования дополнительных измерений разделяют множество ученых. Например, физик-теоретик Бобби Ачария из Королевского колледжа Лондона считает, что Вселенная гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд, и скрываться в ней может все что угодно. Он верит в дополнительные измерения, но прекрасно понимает, что нынешний уровень технологий не позволяет их обнаружить.

«Для создания и перераспределения гравитационных волн в другие измерения вам потребуется наличие колоссального объема энергии. Даже если вам удастся создать волны, которые просочатся в другие измерения, масштаб будет настолько мал, что частота гравитационных волн в этом случае будет очень высокой, гораздо выше нынешних возможностей обнаружения детектора гравитационных волн LIGO».

источник

Астрономы открыли сверхмассивную черную дыру, которая была вытолкнута из центра далекой галактики под действием мощных гравитационных волн.

Хотя на сегодняшний день ученым известно еще несколько сверхмассивных черных дыр, предположительно, выброшенных из родительских галактик в соответствии с аналогичным механизмом, однако ни один из этих объектов до настоящего времени не подтвержден. Астрономы считают, что этот, новый объект, обнаруженный при помощи космического телескопа «Хаббл», является убедительным подтверждением механизма выталкивания черной дыры из галактики под действием гравитационных волн. Эта черная дыра, масса которой составляет около одного миллиарда масс Солнца, является самой массивной известной ученым черной дырой, выброшенной из родительской галактики.

В этом новом исследовании группа астрономов, возглавляемая Марко Чиаберге (Marco Chiaberge) из Института исследований космоса с помощью космического телескопа, США, наблюдала при помощи космических обсерваторий НАСА «Чандра» и «Хаббл», а также Слоуновского цифрового обзора неба, квазар под названием 3C 186 и его родительскую галактику, находящиеся на расстоянии примерно 8 миллиардов световых лет от нас в составе скопления галактик.

Проведенные учеными наблюдения показали, что квазар - представляющий собой активную центральную черную дыру, окруженную ярко светящимся диском из падающей на нее материи – оказался значительно смещен в сторону от центра галактики и, двигаясь, со скоростью 7,5 миллиона километров в час, готовится покинуть её пределы, что должно произойти, согласно оценкам команды, примерно через 20 миллионов лет.

Для объяснения этих результатов команда Чиаберге предложила сценарий, согласно которому родительская галактика квазара 3C 186 была сформирована в результате объединения двух галактик с двумя разными по размерам и массе центральными сверхмассивными черными дырами. На последней стадии объединения двух различных по размерам черных дыр возможен эффект появления мощной асимметричной гравитационной волны, в результате которого центральную черную дыру, которая представляет собой к этому моменту результат слияния двух черных дыр исходных галактик, может вытолкнуть из родительской галактики с большой скоростью, что и произошло в рассматриваемом случае, считают Чиаберге и его коллеги.

С помощью космического телескопа «Хаббл» астрономы провели наблюдение за сверхмассивной черной дырой с массой в один миллион раз больше массы нашего Солнца и «убегающей» из своей родной галактики. Это первый среди подтвердившихся случаев так называемых «убегающих черных дыр», (отношение к этой категории объектов астрономы подозревают еще у нескольких черных дыр). Смещение черных дыр из своих галактических центров должно требовать колоссального объема энергии. Но какого именно?

«Мы подсчитали, что объем этой энергии будет эквивалентен энергии 100 миллионов сверхновых, взорвавшихся одновременно. Только в этом случае черную дыру удастся сдвинуть внешним воздействием со своего места», — комментирует Стефано Бианчи из 3-го университета Рима и соавтор исследования обсуждаемого феномена.

Согласно теоретической модели ученых, источником такой колоссальной энергии в обсуждаемом сегодня случае являются гравитационные волны, созданные двумя другими черными дырами, столкнувшимися друг с другом около 1-2 миллионов лет назад.

Иллюстрация выше показывает, как две сверхмассивные черные дыры сливаются в одну, которая впоследствии выталкивается из своей родной галактики. Изображение 1: показан процесс слияния двух галактик. Сверхмассивные черные дыры, находящиеся в их центрах, начинают притягиваться друг к другу. Изображение 2: как только сверхмассивные черные дыры сближаются на достаточное расстояние, они начинают оборачиваться вокруг друг друга. В результате этого создаются мощные гравитационные волны. Изображение 3: продолжая воздействовать друг на друга своей гравитацией, черные дыры продолжают сближаться, пока в конце концов не сливаются в одну сверхмассивную черную дыру. Изображение 4: если обе черные дыры обладают разными массами и собственной скоростью вращения, то в этом случае начинают создаваться более сильные гравитационные волны, направленные в одну сторону.

Когда обе дыры в конечном итоге сталкиваются, они перестают генерировать гравитационные волны, а новообразованная черная дыра начинает вращаться в противоположную сторону уже созданных гравитационных волн, что в результате и выталкивает ее за пределы галактического центра.

Ученые отмечают, что энергетическая сигнатура исследуемой черной дыры на момент наблюдения располагалась гораздо дальше от предполагаемого места в центре ее родной галактики 3C186. По подсчетам исследователей, она уже отдалилась от центра примерно на 35 000 световых лет, что больше расстояния от Солнца до центра нашего Млечного Пути. При это скорость отдаления черной дыры составляет около 7,5 миллиона километров в час. При такой скорости с Земли до Луны мы смогли бы долететь менее чем за 3 минуты.

Астрономы отмечают, что в конце концов черная дыра вообще покинет галактику 3C186.

Исьточник

Недавнее обнаружение гравитационных волн, испускаемых при столкновении двух черных дыр массами порядка тридцати солнечных масс, при помощи наземной обсерватории LIGO возродило интерес к разработке ещё более чувствительных методов измерения. Наземные инструменты для обнаружения гравитационных волн, как правило, имеют широко разнесенные между собой в пространстве датчики, способные регистрировать мельчайшие изменения расстояния между датчиками – меньше, чем одна часть на миллиард триллионов.

Однако такие системы имеют один серьезный недостаток – они срабатывают на шум, производимый легкими вибрациями земли, возникающими в результате природных явлений или деятельности человека. Особенно трудно скомпенсировать те из этих вибраций, которые происходят довольно медленно, то есть характеризуются частотой порядка одного или менее колебания в секунду. Однако астрономам известно, что именно эти медленные изменения могут представлять большой научный интерес, указывая на компактные двойные звездные системы или гравитационные события в ранней Вселенной.

Для решения этой проблемы астрономы из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, разработали и предложили новый метод. Метод основан на использовании атомных часов на водородных мазерах для точного измерения и предполагает обнаружение в основном гравитационных волн низкой частоты. В отличие от предлагаемых ранее методов, суть которых сводилась к точному изменению расстояния между датчиками, в этом новом методе предполагается измерение допплеровского эффекта, вызываемого крохотным смещением одного датчика относительно другого.

Предложенная измерительная система включает лазер с высокотехнологичной системой управления и прецизионные атомные часы, установленные на борту двух спутников. В отличие от других предлагаемых систем для регистрации гравитационных волн эта система требует не три, а всего лишь два различных спутника для функционирования.

Невозможно объять необъятное, а Вселенную – тем более. Но если для Вас главный герой фильма «Интерстеллар» – не Мэтью МакКонахи, а американский физик и астроном Кип Торн, выступивший в роли научного консультанта во время съемок фильма, и Вас волнуют сообщения о новых открытиях астрономов и астрофизиков, то вряд ли Вы пропустили новость о том, что в феврале 2016 г. ученые «поймали» гравитационные волны и тем самым открыли новую эру в науке, изучающей Вселенную

Интервью с профессором, доктором физико-математических наук Александром Долговым, которое вышло в новом номере журнала «НАУКА из первых рук» можно назвать кратким курсом астрофизики для любознательных. Профессор Долгов рассказал об открытии гравитационных волн, возникших после слияния черных дыр, благодаря которым теперь ученые могут буквально «слушать» Вселенную; о поисках до сих пор неуловимых частиц темной материи, детекторы которых сегодня создаются во всем мире, в том числе в Новосибирске; о таинственных магнитных монополях – потенциальных источниках неистощимой энергии, а также возможных «земных» приложениях многих других «небесных» открытий. О самых «горячих» точках современной космологии простым языком читайте в материале «… При большой температуре для Вселенной сшита шуба по ее кривой фигуре».