Фізики заборонили гравітації розганятися вище 1,4 швидкості світла

Навчання 20 серпня 2023

За результатами всього трьох експериментів LIGO вчені визначили, що швидкість гравітаційних хвиль лежить в інтервалі від 0,55 до 1,42 швидкостей світла. Стаття опублікована в.

У Загальній теорії відносності швидкість поширення гравітаційних хвиль (як і взагалі всіх обурень, що переносять інформацію) обмежується зверху швидкістю світла. З іншого боку, швидкість гравітації повинна хоча б трохи перевищувати швидкість світла, щоб запобігти гравітаційному черенківському випромінюванню (це дивне явище теоретично передбачили в 2001 році). Крім того, існує безліч альтернативних теорій гравітації, в яких її швидкість може приймати найнесподіваніші значення (втім, більшість вчених ставиться до цих теорій скептично). Тому дуже важливо точно виміряти швидкість гравітації.

Однак зробити це на даний момент складно через невелику кількість експериментальних даних. Вперше гравітаційні хвилі були зареєстровані у вересні 2015 року колаборацією LIGO. LIGO складається з двох обсерваторій, одна з яких знаходиться в Лівінгстоні (штат Луїзіана), а інша в Хенфорді (штат Вашингтон). Основним елементом кожної обсерваторії є модифікований інтерферометр Майкельсона, який може відчути зміну довжини вигод при проходженні гравітаційної хвилі. На момент підготовки статті колаборація зареєструвала всього три гравітаційних хвилі, випущених при злитті чорних дір.

Для отримання обмежень на швидкість вчені використовували той факт, що обсерваторії LIGO рознесені на три тисячі кілометрів (що відповідає десяти світловим мілісекундам), через що сигнали реєструються ними з невеликою різницею в часі. Ця затримка має певний розподіл ймовірності, залежний від швидкості гравітації. За допомогою теореми Байєса з нього можна знайти зворотний розподіл (швидкості від затримки). Для апріорного розподілу швидкості фізики розглянули дві гіпотези: рівномірний розподіл в інтервалах від 0,01 до 100 і від 1 до 100 швидкостей світла. Вчені зазначають, що вибір якоїсь однієї гіпотези не повинен позначитися на визначенні верхньої межі.

Застосувавши цей метод для даних трьох вимірювань LIGO, фізики отримали розподіл ймовірності для швидкості гравітаційних хвиль. Виявилося, що з імовірністю дев'яносто відсотків її значення лежить в інтервалі від 0,55 до 1,42 швидкостей світла (від 1,0 до 1,4 у разі другої гіпотези). Така низька точність обумовлена невеликою кількістю даних. При більшій кількості детекторів або більшій кількості вимірювань на LIGO можна було б окреслити інтервал можливих значень набагато точніше - наприклад, використання даних всього п'яти експериментів мережі LIGO-Virgo-Kagra забезпечило б точність в один відсоток від швидкості світла.

Варто зауважити, що обмеження на швидкість гравітації, отримані в даній статті, скоро будуть значно уточнені, оскільки в цей понеділок було оголошено про одночасну реєстрацію гравітаційної хвилі і гамма-випромінювання від злиття двох нейтронних зірок. Різниця в часі реєстрації цих двох типів випромінювання склала близько 1,7 секунд, а самі зірки знаходяться на відстані близько 40 мегапарсек, що дозволяє розрахувати можливе відхилення швидкості гравітації від швидкості світла: відношення цих швидкостей не може відрізнятися від одиниці більше, ніж на 3^{... 10 15.}

Тим не менш, стаття вчених теж представляє інтерес, оскільки в ній вони вперше встановили нижню межу для швидкості гравітації. Крім того, при більшому числі вимірювань розроблений ними підхід дозволить отримати незалежні оцінки на швидкість поширення гравітаційних хвиль.

Детальніше про гравітаційні хвилі можна прочитати в наших матеріалах - «На гребені метричного тензора» і «За хвилею хвиля».