Главная » Статьи » Темная материя замедлила гравитационные волны. Но заметить это замедление не получится

Темная материя замедлила гравитационные волны. Но заметить это замедление не получится

Предполагаемые «волосы» темной материи вокруг Земли

NASA / JPL-Caltech

Два американских физика-теоретика показали, что темная материя сказывается на распространении гравитационных волн, изменяя их скорость, но величина этого изменения так мала, что почувствовать его на практике невозможно. Также ученые оценили влияние похожих эффектов на первичные гравитационные волны и показали, что при текущем уровне развития техники заметить их тоже нельзя, однако в будущем с их помощью можно будет получить информацию о состоянии вещества на ранних этапах жизни Вселенной. Статья опубликована в Physical Review D, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В вакууме электромагнитные волны (свет) распространяются со скоростью около 3×108 метров в секунду, которая одновременно является наибольшей возможной скоростью в природе. Тем не менее, в прозрачной среде скорость света снижается из-за взаимодействия с электромагнитными полями частиц. Грубо говоря, в среде электромагнитные волны постоянно рассеиваются, поглощаются и переизлучаются, а потому их эффективная скорость снижается. Например, в воде свет замедляется примерно на 30 процентов, а в стекле — от полутора до двух раз. В частности, именно из-за этого лучи преломляются, когда проходят через границу прозрачной среды и воздуха, а карандаш, помещенный в стакан с водой, кажется «сломанным». Кроме того, в среде, в отличие от вакуума, электромагнитные волны постепенно затухают: так, при прохождении через метровый слой идеально чистой воды интенсивность света падает на 1,5 процента, а после стометрового слоя — почти на четверть. В грязной воде поглощение еще сильнее. Из-за этого в океане на глубине более двухсот метров практически полностью темно.

Что-то похожее происходит и с гравитационными волнами, которые представляют собой колебания кривизны пространства-времени. В пустом пространстве, которое не заполнено частицами и не искажается полями звезд или других массивных объектов, гравитационные волны свободно движутся со скоростью света в соответствии с предсказаниями Общей теории относительности. Однако в среде гравитационные волны должны постепенно затухать, поскольку колебания метрики будут «толкать» и разгонять частицы, расходуя на это энергию волны. В середине прошлого месяца группа индийских физиков-теоретиков показала, что скорость этого затухания пропорциональна вязкости среды, в которой распространяются волны, если ее можно рассматривать как неидеальную жидкость. Скорость волн при этом не меняется. Это позволило ученым оценить вязкость межзвездной среды, используя данные наблюдений группы LIGO/Virgo.

Тем не менее, в новой статье американские физики-теоретики Рафаэль Флагер (Raphael Flauger) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) не соглашаются с этим результатом, замечая, что межзвездную среду нельзя описывать как жидкость. В самом деле, средняя концентрация атомов водорода в межзвездной среде оценивается одной частицей на кубический сантиметр, что при характерных размерах атома дает длину свободного пробега порядка 1011 километров. Это существенно превышает длины зарегистрированных гравитационных волн, находящиеся в промежутке от 300 до 1500 километров. Как утверждают ученые, то же самое можно сказать и про длину свободного пробега частиц темной материи, которая составляет более 80 процентов от массы материи и должна сильнее сказываться на распространении гравитационных волн. Поэтому физики предложили рассматривать космическую материю как бесстолкновительный газ и проверили, как гравитационные волны ведут себя на его фоне.

Следуя стандартному для этого типа задач подходу, ученые выписали кинетическое уравнение Больцмана, пренебрегли в нем столкновениями частиц и включили в него в внешние силы, которые вызываются возмущениями метрики при прохождении гравитационной волны. Послушать и почитать про кинетическое уравнение можно, например, в этой лекции Леонида Максимова. Для простоты теоретики рассматривали случай нерелятивисткой материи, то есть материи, которая движется со скоростью много меньше скорости света, — по современным представлениям, большая часть темной материи пребывает именно в таком состоянии (модель холодной темной материи, ΛCDM). Решая уравнение, физики вычислили поправки к энергетическому спектру гравитационных волн, которые связаны со скоростью распространения и с затуханием волн (поскольку мнимую добавку к скорости можно интерпретировать как коэффициент затухания). В случае пустого пространства спектр линеен, то есть скорость волн совпадает со скоростью света.

Неожиданно оказалось, что в рассмотренной модели затухание волн не происходит — вместо этого скорость гравитационных волн уменьшается не небольшую величину, пропорциональную плотности материи и длине волны. Более того, это изменение настолько мало, что измерить его даже в далеком будущем не представляется возможным. Так, для гравитационной волны с наибольшей возможной длиной волны, сравнимой с радиусом видимой Вселенной, это изменение составляет менее одной миллионной от скорости света, а для зарегистрированных обсерваториями LIGO/Virgo волн — менее 10−43 от скорости света. Поэтому авторы заключают, что в настоящее время темная метрия не может оказать сколько-нибудь заметного эффекта на распространение гравитационных волн.

Тем не менее, на ранних этапах жизни Вселенной, когда темная материя двигалось с релятивистскими скоростями, она могло более заметно сказываться на распространении гравитационных волн (как правило, такие древние волны называют первичными). Пересматривая используемые приближения и заново решая уравнение, ученые получили, что это действительно так, и первичные гравитационные волны могут нести в себе информацию о состоянии вещества на ранних этапах — например, о константах связи и плотности энергии, которые входят в выражения для фазового сдвига и закон дисперсии. К сожалению, первичные гравитационные волны имеют низкую частоту и должны были подавляться на более поздних этапах эволюции Вселенной. В частности, по оценкам ученых частота гравитационных волн, на которых будет сказываться влияние материи, лежит в диапазоне от 10−5 до 10−2 герц. При текущем уровне детекторов зарегистрировать такие волны нельзя, однако в будущем такие установки могут быть построены.

Наблюдения группы LIGO и присоединившейся к ней в августе прошлого года обсерватории Virgo позволяют ученым подробно исследовать гравитационные волны и проверить, существуют ли необычные эффекты, которые предсказывают теории за пределами Стандартной модели и Общей теории относительности. Например, с помощью этих наблюдений физикам удалось установить ограничения на массу гравитонов, скорость гравитационных волн, размерность и модуль упругости пространства-времени, в котором мы живем. Кроме того, в будущем, когда точность гравитационных детекторов вырастет, с их помощью можно будет отличить экзотические компактные объекты от черных дыр и подтвердить существование первичных черных дыр.

Дмитрий Трунин