Будущий детектор гравитационных волн вновь подвергнет проверке теорию относительности

Космическая антенна с лазерным интерферометром (LISA) — весьма амбициозный проект Европейского космического агентства (ЕКА) по постройке поистине колоссального детектора гравитационных волн. Он будет состоять из трех одинаковых аппаратов, образующих равносторонний треугольник со стороной 2,5 миллиона километров.

Как понятно из названия, аппараты должны связываться между собой посредством лазеров. По сдвигу фазы лазерного луча можно будет определить изменение положения аппаратов друг относительно друга. Это позволит не только заметить прохождение гравитационной волны, но и измерить ее поляризацию и определить направление на источник. Причем за счет треугольной формы точность определения направления у LISA выше, чем у работающих сегодня наземных детекторов LIGO и Virgo.

LISA будет наблюдать за гравитационными волнами миллигерцевого диапазона, недоступного для наземных интерферометров из-за наличия шумов (антропогенных и сейсмических), которые нельзя полностью компенсировать. Диапазон измерений позволит детектировать гравитационные волны от систем, состоящих из массивной черной дыры, масса которой может в миллионы раз превышать массу Солнца, и компактного объекта звездной массы — будь то черная дыра или нейтронная звезда. Такие системы называют спиральными системами с экстремальным отношением масс, или EMRI (extreme mass-ratio inspirals).

Кривые чувствительности ряда детекторов гравитационных волн в зависимости от частоты. / ©Wikimedia Commons

Международная группа астрономов из Италии и Великобритании в исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, продемонстрировала возможность обнаружения новых фундаментальных полей при наблюдении EMRI космическим интерферометром LISA.

Профессор Томас Сотириу (Thomas Sotiriou), директор Ноттингемского центра по изучению гравитации, объясняет: «Новые фундаментальные поля, в частности скалярные, предлагались в различных концепциях: как объяснение темной материи, как причина ускоренного расширения Вселенной или как низкоэнергетические проявления последовательного и полного описания гравитации и элементарных частиц. Теперь мы показали, что LISA предложит беспрецедентные возможности в обнаружении скалярных полей».

Некоторые обобщения Общей теории относительности Эйнштейна предполагают существование скалярных гравитационных волн (в каждой точке описываются всего одним числом — зарядом), тогда как, согласно самой ОТО, гравитационное взаимодействие описывается с помощью тензорного поля (описывается тензором — n-мерной матрицей).

Наблюдения наземных гравитационных детекторов за астрофизическими объектами со слабыми гравитационными полями пока соответствуют теории Эйнштейна и подтверждают наличие лишь тензорных гравитационных волн. Однако есть основания полагать, что отклонения от Общей теории относительности могут быть обнаружены в более экстремальных случаях, таких как EMRI.

Исследователи разработали новый подход к моделированию сигнала, который генерирует тело звездной массы при обращении вокруг массивной черной дыры, и впервые оценили способности LISA обнаруживать существование скалярных гравитационных полей.

Оказалось, LISA способна измерять скалярный заряд (количество скалярного поля) малого тела в системе EMRI с беспрецедентной точностью — порядка одного процента. Причем этот результат не зависит от происхождения скалярного поля, а также от структуры и других свойств небольшого компактного объекта в системе EMRI, поэтому его можно рассматривать как общую оценку возможностей интерферометра LISA по обнаружению новых фундаментальных полей.