Исследование: Экзотические компактные объекты могут скоро нарушить физику

В глубинах Вселенной могут существовать диковинные сущности, похожие на черные дыры, которые способны переопределить физику в том виде, в каком мы ее знаем. Новое исследование подсчитало, что в ближайшие годы гравитационно-волновые обсерватории на Земле смогут найти эти гипотетические чудаки, известные как экзотические компактные объекты.

Базирующаяся в США обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) и ее европейский аналог Дева были построены для улавливания ряби в ткани пространства-времени, исходящей от массивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды, сталкивающихся вместе. И все же всегда есть шанс, что ученые могут столкнуться с чем-то неожиданным.

"Мы не можем быть настолько наивными, чтобы предполагать, что знаем все, что есть", - сказал Луис Лонго, кандидат физики в Федеральном университете ABC в Сан-Паулу, Бразилия.

Исследователи много лет размышляли о возможностях экзотических компактных объектов и пытались определить, как они будут выглядеть для детектора гравитационных волн, добавил Лонго.

Термин "экзотический компактный объект" охватывает множество различных теоретических сущностей. Среди возможных вариантов - гравастары, которые выглядели бы очень похожими на обычную черную дыру, но были бы заполнены темной энергией, загадочной субстанцией, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Другой компактный объект, который может скрываться во Вселенной, - это пушистый комок, похожий на черную дыру узел из фундаментальных одномерных струн, предложенный в теории струн, который пытается объединить и заменить текущие принятые теории в физике.

Экзотические компактные объекты объединяет то, что, в отличие от черной дыры, у них не должно быть области, известной как горизонт событий, сказал Лонго. Согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, горизонт событий - это сфера, окружающая черную дыру, за пределами которой любое путешествие становится односторонним. Объекты могут проскользнуть внутрь горизонта событий, но из него ничего не может выйти - даже свет.

Но ученые знают, что однажды теорию относительности Эйнштейна придется заменить. Хотя теория необычайно успешно описывает гравитацию и массивные космические объекты, она ничего не говорит о поведении субатомных частиц. Для этого физики обращаются к квантовой механике.

Есть надежда, что в конечном итоге появится теория квантовой гравитации, которая заменит как теорию относительности, так и квантовую механику. Экзотические компактные объекты, которые напоминают черную дыру, но не имеют горизонта событий, могут помочь предоставить необходимую информацию для начала построения этой теории будущего.

"Они порвут с общей теорией относительности, потому что они не приведут к одному из ее ключевых предсказаний", - сказал Лонго, имея в виду горизонт событий. "В этом смысле мы будем проверять теорию гравитации Эйнштейна".

Когда две черные дыры разбиваются и сливаются, они вращаются друг вокруг друга, искривляя пространство-время и испуская гравитационные волны, которые могут воздействовать на детекторы LIGO на Земле. По словам Лонго, после их встречи горизонт событий предотвращает утечку дополнительных волн наружу.

Но поскольку у экзотических компактных объектов не будет горизонта событий, некоторые гравитационные волны могут упасть внутрь к центру объекта, а затем отскочить назад, создавая гравитационное эхо, которое утекает наружу, добавил он. Эти эхо-сигналы слишком слабые, чтобы LIGO и Virgo могли их обнаружить прямо сейчас, но оборудование в настоящее время модернизируется для повышения чувствительности, и к ним присоединился детектор гравитационных волн Камиока (KAGRA) в Японии, который начал работать в прошлом году.

Лонго и его коллеги подсчитали, что во время следующего цикла наблюдений детекторов гравитационных волн, который должен начаться летом 2022 года, LIGO и его аналоги могут быть достаточно чувствительными, чтобы улавливать сигнал от одного или двух экзотических компактных объектов, если они существуют. Лонго представит результаты своей команды на апрельском заседании Американского физического общества 19 апреля.

Другие исследователи хотят увидеть, может ли такой сценарий разыграться в ближайшем будущем. "Сейчас это похоже на научную фантастику", - сказал Витор Кардозу, физик из Высшего технического института в Лиссабоне, Португалия, который не участвовал в работе. "Но он быстро переходит от научной фантастики к установленной науке".

Кардозу был бы в восторге, если бы экзотические компактные объекты оказались больше, чем предположение. "Мы ненавидим видеть то, что ожидаем", - сказал Кардозу. "Мы ненавидим скучную науку".

Однако, даже если LIGO обнаружит эхо, вероятно, потребуется много времени, прежде чем научное сообщество подтвердит, что они действительно указывают на эти гипотетические объекты, добавил он.

Лонго тоже был бы счастлив, если бы обсерваториям удалось найти доказательства существования экзотических компактных объектов. "Это будет первый намек на крах общей теории относительности", - сказал он. "Это был бы огромный прорыв и чрезвычайно захватывающий".