7 Minutės
Neįprasta gravitacinė banga ir provokuojanti interpretacija
2019 metais observatorijos LIGO ir Virgo registravo neįprastai trumpą gravitacinės bangos signalą, trukusį mažiau nei dešimtąją sekundės dalį, pavadintą GW190521. Skirtingai nuo įprasto, palaipsniui didėjančio "čirop" (chirp) signalo, kurį sukuria dvi juodosios skylės lėtai spiralizuodamos viena link kitos, GW190521 pasirodė kaip vienkartinis, staigus protrūkis. Standartinė interpretacija teigia, kad dvi juodosios skylės susitiko hiperbolinėje trajektorijoje ir susijungė be ilgo inspiralo (inspiral) periodo. Tačiau 2025 m. išplatintas preprintas, kurį inicijavo fizikas Qi Lai (Kinijos mokslų akademijos universitetas), siūlo kur kas egzotiškesnę alternatyvą: stebėtas protrūkis galėtų būti juodosios skylės susijungimo aidėjimas kitoje visatoje, perduotas per žlugantį Einšteino–Roseno tiltą (wormhole), susiformavusį per tą susijungimą.
Mokslinis kontekstas: gravitacinės bangos ir stokojantis inspiralas
Gravitacinės bangos yra erdvėlaikio bangavimai, generuojami besikeičiančiomis masėmis — ryškiausiai juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės susijungimų metu. Tradiciniame susijungimo scenarijuje dvejetainė sistema praranda energiją per gravitacines bangas, orbitos spindulys mažėja, o signalas detektoriuose įgauna vis didesnį dažnį ir amplitudę: tai vadinamas inspiralu. Inspiralas kulminuoja susijungimu (merger) ir vėliau užgimstančiu vibraciniu periodu (ringdown), kartu sudarydamas pažįstamą chirp formą, kuri yra pagrindinis įrankis identifikuojant kompaktaus objekto susijungimus.
GW190521 ypatingas tuo, kad jam praktiškai trūko ilgalaikio inspiralo dalies. Pagal išvestus parametrus, bendroji sistemos masė buvo apytiksliai 142 Saulės masės, o tokiai masei inspiralas turėjo pasirodyti LIGO/Virgo jautrioje dažnių juostoje. Trumpas impulsinis signalas kėlė klausimų: ar inspiralas buvo iš tiesų praleistas dėl netradicinio evoliucinio kelio, ar jis tiesiog buvo užfiksuotas už detektorių juostos (out-of-band)? Šis neatitikimas paskatino tyrėjus svarstyti nestandartines paaiškinimo galimybes, įskaitant ir egzotiškas fizikos scenarijas.
Voratinklio (Einšteino–Roseno tilto) hipotezė: metodika ir rezultatai
Lai ir kolegos išvystė teorinį bangosformos (waveform) modelį, kuris galėtų kilti, jei dvejetainio juodųjų skylių susijungimo metu laikinai susidarytų tiltas tarp dviejų atskirų erdvėlaikių ar regionų. Tokia tranzientinė struktūra, kol ji egzistuoja, galėtų modifikuoti išspinduliuotą gravitacinį signalą: vietoje klasikinio ilgo inspiralo ir aiškaus chirp profilio detektoriuose gali dominuoti trumpas išlaisvinimo protrūkis, susijęs su tilto susidarymu, staigiu žlugimu ir su tuo susijusiais aidėjimo (echo) režimais.
Komanda palygino šią voratinklio-žlugimo bangosformą su GW190521 duomenimis ir su įprastiniu dvejetainių juodųjų skylių šablonu. Skaitmeninė analizė parodė, kad tradicinis dvejetainio susijungimo modelis quantitatively suteikė šiek tiek geresnį atitikimą, tačiau tik nedideliu skirtumu pagal tinkamumo (fit) metrikas. Autoriai pažymi, kad tokia siaura statistinė persvara palieka laisvės alternatyvioms interpretacijoms: voratinklio modelis dabar nėra kategoriškai atmestas esamais duomenimis.
Techniniu požiūriu tyrimas apjungė kelių tipų skaitmenines priemones: modifikuotas matricos inversijos algoritmas parametru skaičiavimui, Markovo grandinių Monte Karlo (MCMC) analizės patikrinimui ir Bayes’o faktorių skaičiavimus modelių palyginimui. Autoriai taip pat išnagrinėjo, kaip galimi echo dažniai, kvazinormalūs režimai ir laikinės anizotropijos gali keisti signalo potekstę. Buvo atkreiptas dėmesys į ribas, kuriose egzotiškas tiltas gali išleisti energiją mūsų erdvėlaikio pusei ir kiek to energijos pasireikštų žemuose arba aukštuose dažniuose.
Kodėl tai svarbu
Jeigu gravitacinės bangos panašios į GW190521 yra gaunamos dėl voratinklio dinamikos, pasikeistų mūsų supratimas apie erdvėlaikio topologiją ir stebėjimo galimybes. Tokia detekcija ne tik pateiktų įrodymą apie egzotiškas erdvėlaikio struktūras; ji suteiktų naują empirinių tyrimų kanalą tirti jų savybes, pvz., gyvenimo trukmę, kvazinormalias spektro charakteristikas ir energijos perdavimo mechanizmus tarp regionų. Tačiau šiai interpretacijai prireiktų fizikos, kuri išeina už dabar patvirtintų teorijų ribų, ir įtrauktų materijos ar laukų konfigūracijas, kurios yra kol kas hipotetinės.
Palyginamos transakcijos ir būsimieji testai
Po GW190521 buvo užregistruoti keli panašūs trumpi ir itin masyvūs įvykiai; ypač minėtinas GW231123, kurio likutis buvo maždaug 225 Saulės masių. Tokie atvejai parodo, kad trumpi protrūkiai gali pasirodyti dažniau tarp labai didelės masės susijungimų. Tyrėjai siūlo sistemingai lyginti bangos formos ypatybes tarp panašių įvykių ir ateities aptikimų, kad būtų įmanoma patikimiau atskirti įprastus aukštos masės dvejetainius užfiksavimus nuo egzotiškų scenarijų, tokių kaip tranzientiniai Einšteino–Roseno tiltai.
Ateities detektorių jautrumo gerinimas (vykdomos LIGO/Virgo modernizacijos, artėjantys KAGRA atnaujinimai ir planuojamos observatorijos, pavyzdžiui, LISA bei Einstein Telescope) žymiai padidins aukštos masės ir trumpo trukmės įvykių skaičių bei pratęs diapazoną į žemesnius dažnius. Plati žemo dažnio aprėptis leis pastebėti inspiralo sužadintus signalus, kurie dabar gali būti už detektorių juostos ribų. Jei inspiralų trūkumas bus tik dėl ribotos žemo dažnio jautrumo, platesnis dažnių aprėptis leis juos aptikti arba kategoriškai atmesti; jei gi inspiralai išties nėra, tai reikštų rimtą iššūkį standartinei astrofizikai.
Praktiniai tolesni veiksmai apims: platesnį šablonų rinkinį (įskaitant egzotiškas bangosformas) matched-filtering paieškai, koherentinę tarpdetektoriaus analizę, echo paieškas su laikinėmis parlaugomis (time-frequency) ir Monte Carlo studijas, kurios įvertintų, kada ir kaip tilto scenarijus galėtų sudaryti signalo savybes panašiai į stebėtas. Taip pat verta susieti gravitacinių bangų matavimus su elektromagnetiniais stebėjimais, jeigu egzotiniai procesai generuotų to paties įvykio elektromagnetinį signalą.
Pasekmės ir įspėjimai
Voratinklio paaiškinimas išlieka spekuliatyvus. Jis reikalauja egzotinės fizikos — pavyzdžiui, materijos ar laukų, pažeidžiančių žinomas energijos sąlygas (null energy condition), arba stabilios, pravažiuojamos struktūros, kurių praktikoje nebuvo stebėta. Tradicinis, konservatyvus paaiškinimas — neįprasta dinaminė užfiksavimo (dynamical capture) ir susijungimas mūsų visatoje — išlieka labiau tikėtinu, nes remiasi gerai patikrintais bendrosios reliatyvumo mechanizmais. Visgi siauras statistinis skirtumas tarp modelių pateisina tolesnius teorinius ir stebimus tyrimus.
Iš techninės perspektyvos svarbu pabrėžti, kad sudėtingi modelių palyginimai remiasi prielaidomis apie triukšmo modelį detektoriuose, apie priori paskirstymus parametrams ir apie tikrąją bangosformos šeimą. Net menkos prielaidos pasikeitimai gali pakeisti Bayes’o faktorių reikšmes ir modelio pasirinkimą. Todėl išvados, ypač tos, kurios galėtų reikšti naują fiziką, reikalauja kruopščiai patikrintų statistinių procedūrų ir pakartotinių stebėjimų.
Eksperto įžvalga
"GW190521 meta mūsų standartinius šablonus ir verčia svarstyti ekstremalias galimybes," sako dr. Elena Morales, fikcinė teorinė astrofizikė, specializuojanti kompaktiškų objektų dinamikoje. "Net jei voratinklio scenarijus yra mažai tikėtinas, tokių alternatyvų modeliavimas sustiprina mūsų analizės grandines ir paruošia mus tikrai naujiems signalams. Kitas dešimtmetis gravitacinių bangų astronomijoje parodys, ar šie trumpi protrūkiai yra didelių susijungimų keistenybės ar ženklas naujos fizikos atradimams."
Išvados
GW190521 išlieka vienu įdomiausių gravitacinių bangų aptikimų iki šiol. Nors tradicinis dvejetainių juodųjų skylių susijungimo modelis truputį geriau atitinka duomenis, voratinklio-žlugimo (Einšteino–Roseno tilto) modelis nėra kategoriškai atmestas. Tolimesnės stebėsenos, geresnis detektorių jautrumas, platesnis dažnių aprėptis ir kruopštus bangosformų modeliavimas bus būtini, kad būtų aišku, ar šie trumpi, galingi protrūkiai kyla iš žinomos astrofizikos, ar jie atveria duris į daug keistesnes erdvėlaikio struktūras.
Praktiniu požiūriu būtina tęsti ir plėsti bendradarbiavimą tarp teorikų ir eksperimentinės komandos, kad būtų sukurti patikimi egzotinių modelių šablonai, optimizuotos paieškos strategijos ir aiškūs kriterijai, leidžiantys atskirti techninius detektorių efektus nuo tikro fizikinio signalo. Tik taip galima užtikrintai spręsti, ar mūsų stebėjimų panorama rodo naują fizikos erdvę, ar tik sudėtingų, bet paaiškinamų dinaminių procesų variacijas."
Šaltinis: sciencealert
Komentarai