Гравитационные волны помогут ученым разгадать четыре тайны космологии

11 февраля обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром или LIGO объявила об обнаружении гравитационных волн и растяжении и сжатии пространства-времени, созданного движением крупных объектов.

Объявление вызвало сенсацию среди физиков и астрономов во всем мире, и в настоящее время они готовятся использовать это новое окно на вселенную.

Этот особенный сигнал, принятый двумя обсерваториями LIGO 14 сентября 2015, был создан двумя черными дырами, каждая из которых приблизительно в 30 раз больше масса Солнца, которые столкнулись друг с другом. Это сразу же дало ответ на один неразрешенный вопрос для астрономов: прежде чем поступил сигнал, само существование таких двойных черных дыр было спорным. Дальнейшие наблюдения могут рассказать нам больше о таких экзотических объектах, как нейтронные звезды и сверхновые.
Но это - только начало. Гравитационные волны позволят нам исследовать фундаментальную физику и, возможно, даже заглянуть в прошлое, в самые ранние моменты Вселенной. Вот четыре тайны космологии, которые могут наконец-то быть разгаданы в эпоху гравитационно-волновой астрономии.

1. Темная энергия

«Объединив несколько открытий, и мы можем получить представление об истории и составе Вселенной в целом, - говорит Ави Лоеб из Гарвардского университета. – Например, изучение нескольких сигналов о столкновении черных дыр, может помочь понять природу темной энергии, которая является причиной ускорения расширения  Вселенной».

Из «формы» сигнала – как частота волн и амплитуда взлета и падения – мы можем вычислить размеры черных дыр и определить насколько мощным был всплеск в источнике столкновения. Сравнивая, насколько мощным в действительности был сигнал, со слабыми колебаниями, обнаруженными LIGO, можно определить, как далеко это произошло. В сочетании с наблюдениями стандартных телескопов, это может показать, как расширилось пространство за то время, которое потребовалось волне, чтобы достичь нас, и определить величину влияния темной энергии на пространство.

Эта величина должна быть очень сильной и более надежной, чем все, что мы знали до сих пор. «Обнаружение всего нескольких столкновений черных дыр изменило бы все, - говорит  Лоеб.  - Если у Вас будут десятки из них, то это будет новый раздел в космологии».

2. Принцип эквивалентности

Другие исследователи, используя сигналы гравитационных волн, собираются подвести общую теорию относительности Эйнштейна под более строгие критерии. Один из способов заключается в исследовании принципа эквивалентности - допущения, что гравитация влияет на все массы аналогичным образом.

«В эпоху GPS и космических полетов, когда даже мельчайшие отклонения от принятой теории гравитации будут иметь серьезные последствия, это имеет огромное значение», - говорит Сюэфэн У из Обсерватория Цзыцзиньшань в Нанкине, Китай.

Эрминия Калабрезе, астроном из Оксфордского университета, рассматривает гравитационные волны как возможность проверки - ведет ли гравитация себя так, как предсказывает теория относительность, на больших расстояниях.

«Если бы мощность волн уменьшилась с расстоянием, то мы могли бы обнаружить это с помощью данных, полученных LIGO», говорит она.

3. Космическая инфляция

Успех LIGO говорит о необходимости установки датчиков гравитационных волн по всему миру. Более чувствительные датчики, работающие с более короткими длинами волн, чем LIGO, могут позволить нам обнаружить изначальные гравитационные волны очень молодой Вселенной. Эти волны должны были появиться в период инфляции, во время огромного космического роста в первые моменты после большого взрыва.

В отличие от фотонов и другого электромагнитного излучения, они могли свободно перемещаться через новорожденную Вселенную. В данный момент мы можем видеть только то, что произошло после 380 тысяч лет после большого взрыва, когда вселенная стала прозрачной для света.

«Мы потенциально можем увидеть почти весь путь до большого взрыва»,-  говорит Деян Стойкович из Университета штата Нью-Йорк в Буффало. Сам LIGO не в состоянии ощутить такие колебания, но успех датчика позволяет надеяться, что будущие эксперименты помогут оторваться от земли. «Теперь, когда мы знаем, что гравитационные волны существуют, будет намного легче убедить людей инвестировать деньги для создания разных датчиков гравитационной волн», - говорит Стойкович.

4. Великая объединенная теория

Гравитационные волны могут указать путь к созданию великой объединенной теории Вселенной. Модели предсказывают, что в какой-то момент истории Вселенной, все четыре фундаментальные силы были объединены в единую силу. Так как Вселенная расширилась и охладилась, силы разделились в целый ряд пока еще плохо изученных событий.

«Обсерватории гравитационных волн, которые будут в состоянии обнаружить более короткие длины волн, могли бы исследовать их», - говорит Стойкович.

Член команды LIGO Дэниел Холз из Чикагского университета думает, что это только начало. «Каждый раз, когда мы открываем окно во Вселенную, мы находим все более неожиданные вещи, - говорит Холз. - Я был бы удивлен, если бы я не был удивлен».