Физики ограничили число измерений: конец теории струн?

Группа ученых из США исследовала последнее зарегистрированное гравитационно-волновое событие GW170817 и его электромагнитный «след» – гамма-всплеск GRB 170817A. Используя разом оба результата, они смогли ограничить число измерений нашего пространства. Сюрприза не произошло – с большой точностью их все еще четыре.

Чем отличилось событие GW170817?

17 августа 2017 года обсерваторией LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) был зарегистрирован гравитационно-волновой сигнал GW170817 от слияния двух нейтронных звезд.

Событие GW170817 в различных диапазонах частот

Это событие стало своего рода уникальным, потому что всего на 1.74 секунды позже космическими обсерваториями Fermi и INTEGRAL был зарегистрирован короткий гамма-всплеск GRB 170817A, ассоциированный в дальнейшем с электромагнитным излучением от того же самого источника. Впоследствии излучение в различных диапазонах было обнаружено и многими другими экспериментами.

Впервые ученым удалось зарегистрировать дополнительное к гравитационному электромагнитное излучение от того же самого источника, что представляет собой интересный инструмент для изучения модифицированных теорий гравитации.

«Утечка» гравитации в дополнительные измерения

Идея метода, предложенного авторами, состоит в том, что расстояние до события можно измерить двумя способами – по гравитационно-волновому сигналу и по электромагнитному.

Если общая теория относительности действительно правильно описывает пространство-время, то измеренные расстояния будут совпадать. Однако же, если в теории присутствуют, например, дополнительные измерения, гравитационные волны будут частично «утекать» в них, и вычисленное по гравитационным волнам расстояние изменится – но этот факт никак не повлияет на «электромагнитное» расстояние.

Из-за «протечек» в дополнительные измерения регистрируемая на Земле амплитуда гравитационного сигнала на Земле будет уменьшаться, а соответствующее расстояние – увеличиваться. Сравнивая две величины, таким образом, можно поставить ограничения на различные модифицированные теории гравитации.

«Экранированная» гравитация и нестабильный гравитон

Не привязываясь к конкретной модификации гравитации, авторы работы предложили наиболее общие способы изменения общей теории относительности и соответствующие следствия, влияющие на измерение расстояний.

В общей теории относительности амплитуда гравитационного сигнала просто-напросто обратно пропорциональна расстоянию до источника. В случае присутствия дополнительных измерений амплитуда сигнала становится обратно пропорциональной расстоянию до источника, но уже возведенному в некоторую степень, при этом показатель степени напрямую связан с числом измерений в теории.

Существует отдельный класс модифицированных теорий гравитации, называемых теориями с «экранировкой». Они характерны тем, что вводится так называемая «шкала» или «радиус» экранировки: для расстояний, меньших, чем данный радиус, законы гравитации не отличаются от законов общей теории относительности; разница начинает проявлять себя только на расстояниях сильно больше данной шкалы.

Если речь идет о дополнительных измерениях, то некие процессы словно бы «скрывают» их от наблюдателя, исследующего близкие события. В таком случае зависимость расстояния до объекта от амплитуды гравитационных волн усложняется: в нее одновременно входит и шкала экранировки, и количество измерений.

И, наконец, третий рассмотренный вариант модификации состоит в том, что гипотетической частице, переносящей гравитационные взаимодействия, гравитону, позволяется распадаться в процессе распространения: в общих случаях он считается стабильным. Распад гравитона также повлияет на измеренное расстояние, которое теперь будет зависеть от времени жизни переносчика гравитации.

Нам хватит и четырех

Результаты работы показали, что измеренное по гравитационному сигналу расстояние совпадает с электромагнитным и, как следствие, результатами общей теории относительности в пределах погрешностей и исключает «простое» наличие дополнительных измерений.

Для теорий с экранировкой была исследована область параметров, в которой количество измерений варьируется от пяти до семи: для таких теорий радиус экранировки должен быть не менее чем 20 мегапарсек для того, чтобы наблюдаемые расстояния совпали с теоретическими предсказаниями. Для сравнения: диаметр Млечного пути равен примерно 30 килопарсек.

Также получено ограничение на время жизни гравитона, если он все же не является стабильной частицей: не менее, чем 450 миллионов лет.

Наконец, самый важный результат: согласно данному исследованию, число измерений равно 4.02±0.08, то есть как мы и привыкли – три пространственных измерения плюс одно временное.

Модифицированная гравитация не сдается

В данной работе авторам не удалось полностью исключить возможность существования дополнительных измерений или других модификаций гравитации: в первую очередь из-за того, что пока что существует всего лишь одно подобное событие, в котором гравитационный сигнал дополнился электромагнитным.

У обсерватории LIGO работает система оповещений: как только появляется кандидат на новое событие, заинтересованные телескопы и обсерватории получают предупреждение и область на небе, в которой стоит проверить наличие сигнала.

Такое сотрудничество позволит в будущем набрать статистику новых событий, они дадут ученым возможность исследовать модифицированные теории гравитации с большей точностью, а также изучить следствия из конкретных моделей.