Файрвол против Эйнштейна

Павел Котляр 

Nicolle R. Fuller/Science Photo Library

Вблизи черных дыр могут нарушаться постулаты Общей теории относительности, считают физики, нашедшие странные «эхо» в сигналах от сливающихся черных дыр. «Газета.Ru» попыталась разобраться, как файрвол противостоит ОТО.

Элегантным и красивым доказательством положений Общей теории относительности Эйнштейна в уходящем году стало первое экспериментальное обнаружение гравитационных волн, доходящих до Земли от далеких и мощных астрофизических событий Вселенной.

Поиск гравитационных волн — это одна из крупнейших проблем современной физики. Согласно ОТО, любая материя, движущаяся с ускорением, создает возмущение пространства-времени — гравитационную волну.

Это возмущение тем больше, чем выше ускорение и масса объекта. Ввиду слабости гравитационных сил по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Именно поэтому эксперты справедливо предполагали,

что недавнее открытие гравитационных волн международной коллаборацией LIGO сможет удостоиться Нобелевской премии по физике, которая, впрочем, пока досталась другим ученым.

Как известно, уже три (два точно, один с низкой достоверностью) слияния черных дыр были зафиксированы Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией LIGO. Поскольку гравитационная волна обладает свойством изменения метрики, попав на прибор, она изменяет длину плеча каждой из систем, и лазерный интерферометр фиксирует это изменение.

Так, 11 февраля 2016 года было объявлено о первом зафиксированном всплеске, который дошел до Земли от двух слившихся черных дыр, второй раз об аналогичном открытии было объявлено в июне. На этот раз слившиеся дыры были более легкими, чем в феврале — в 14 и 8 масс Солнца.

Слияния черных дыр были найдены благодаря ранее рассчитанному спектру сигнала – иначе говоря, ученые знали заранее, как должен выглядеть гравитационный «звон» от подобных событий. И, поскольку классические черные дыры – объекты, напрямую вытекающие из Общей теории относительности, сигналы с LIGO считаются весомым доказательством как справедливости самой ОТО, так и существования черных дыр.

Однако, вместе с основным звоном от черных дыр были зафиксированы несколько «эхо», которые могут говорить о новой физике и возможном нарушении ОТО у границ черных дыр. По крайней мере, так интерпретируется недавняя публикация троих теоретиков вредакционной статье журнале Nature.

Согласно ОТО, неотъемлемым атрибутом черной дыры является так называемый горизонт событий, залетев за который, любая материя или свет уже не может вернуться обратно. Однако не все ученые придерживаются классического представления о черных дырах. Так, в 2012 году теоретик Джозеф Полчински предположил, исходя из соображений квантовой физики, что вместо горизонта событий у черной дыры есть некий высокоэнергетический барьер,

(файрвол от англ. firewall) из высокоэнергичных частиц, с которым столкнется любая падающая на дыру материя.

Вскоре после обнаружения всплесков на LIGO ученые под руководством Витор Кардосо предположили, что, если вблизи черных дыр наблюдается отклонение от ОТО, например, существует упомянутый «файрволл», то сливающиеся дыры должны помимо основного сигнала создавать слабые «послезвучия» — эхо.

Это связано с тем, что при слиянии гравитационные волны запираются между внутренней и внешней границей огненной стены, отскакивают от них, и лишь некоторые выходят наружу.

Группа ученых под руководством Ниайеша Афшорди, известного специалиста по квантовой гравитации из Института «Периметр», создали модель. В ней они рассчитали, как выглядел бы сигнал от слияний черных дыр, у которых вместо горизонта событий были барьеры, отражающие гравитационные волны.

Расчеты показали, что помимо главного звона должны наблюдаться отдельные эхо – спустя 0,1, 0,2 и 0,3 секунды.

Теоретически рассчитанные значения «эхо» для события GW150914

Обратившись к данным, полученным детектором LIGO, ученые обнаружили такие послезвучия в полученных сигналах, причем на тех же временных интервалах. Проблема в том, что достоверность этих сигналов по общепринятым меркам довольно низка – всего 2,9 сигма.

Это значит, что «сигнал» с вероятностью 1/270 мог оказаться простым шумом. Известно, что сигнал в массиве данных считается пойманным, если его достоверность равняется 5 сигма (вероятность ошибки равна 1/3500000). Понять, есть ли нарушающие ОТО «эхо» в сигналах lIGO, помогут будущие наблюдения, сделанные с повышенной точностью.

«Хорошо, что скоро будут получены новые данные в LIGO, полученные с повышенной чувствительностью, и в течение следующих двух лет мы сможем подтвердить их или опровергнуть», — заявил Афшорди.

С осторожностью к предположениям группы Афшорди относиться советуют и опрошенные «Газетой.Ru» российские астрофизики.

«Все эти квантовые структуры являются предметом квантовой гравитации, которой нет, этот файрволл – лишь одна из идей о том, что находится под горизонтом черной дыры, — считает ведущий научный сотрудник отдела релятивистской астрофизики ГАИШ МГУ, доктор физико-математических наук Константин Постнов. – Если само событие (слияние черных дыр) ученые наблюдают с высоким уровнем значимости, то всяческие послесвечения и эхо настолько маленькие, что говорить о них пока преждевременно.

Нужно увеличить чувствительность раз в 10, все эти эффекты пока — заявка на будущее».

Кстати, Константин Постнов был одним из российских соавторов статей 1997 года, в которых были даны теоретические расчеты слияний черных дыр, которые теперь проверяются наблюдениями LIGO.

В том, что из-за низкой достоверности сигнала утверждать что-то определенное пока рано, убежден и академик Валерий Рубаков, мировой специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии. «Статистическая достоверность «сигнала» не очень высока, сигналы с такой достоверностью очень часто рассасываются. Но если это сигнал — значит, ОТО нарушается вблизи горизонта черной дыры.

В целом статья будет иметь позитивное влияние: поиск экзотики в экспериментальных данных — дело благородное, даже если эта экзотика не очень теоретически обоснована, и даже если этот поиск закончится не обнаружением, а экспериментальным пределом. А вдруг повезет? Или будет открыто совсем не то, что искали? Такое едко, но бывает», — пояснил Рубаков «Газете.Ru».