Отсутствие сигнала о гравитационных волнах расширяет пределы познаваемой Вселенной

Представьте себе инструмент, который может измерять движения в миллиард раз меньше атома, который живет миллионную долю секунды. Holometer от Fermilab — в настоящее время единственная машина, способная проводить настолько точные измерения пространства и времени, и собранные за последнее время данные улучшили пределы для теорией об экзотических объектах юной Вселенной. Непонятно? Сейчас разберемся.

Наша Вселенная настолько же таинственна, насколько и огромна. Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, все, что ускоряется, создает гравитационные волны — возмущения в ткани пространства-времени, которые движутся со скоростью света и распространяются бесконечно в пространстве. Ученые пытаются замерить все эти возможные источники вплоть до начала Вселенной.

Эксперимент Holometer, проводимый кафедрой энергетики лаборатории Ферми, чувствителен к гравитационным волнам на частотах в диапазоне миллиона циклов в секунду. Таким образом, он обращается к спектру, который не покрывают такие эксперименты, как LIGO, ищущие более низкочастотные волны для обнаружения массивных космических событий — столкновений черных дыр и слияний нейтронных звезд.

«Это огромный прогресс в чувствительности по сравнению с тем, что было проделано до этого», — говорит Крейг Хоган, директор Центра астрофизики частиц в лаборатории Ферми.

Уникальная чувствительность позволяет Holometer искать экзотические источники, которые не могут быть найдены как-то еще. Сюда входят крошечные черные дыры и космические струны, два возможных феномена ранней Вселенной, которые могут производить высокочастотные гравитационные волны. Крошечные черные дыры могут быть меньше метра в диаметре и вращаться друг вокруг друга миллион раз в секунду; космические струны — это петли в пространстве-времени, которые вибрируют на скорости света.

Holometer состоит из двух интерферометров Майкельсона, которые разбивают лазерный луч по двум 40-метровым рукам. Лучи отражаются от зеркал на концах рук и возвращаются, чтобы воссоединиться. Проходящие гравитационные волны изменяют длины путей, по которым проходят пучки лучей, вызывая флуктуации в яркости света лазера, которые регистрируют физики.

Команда Holometer провела пять лет, создавая аппарат и минимизируя источники шума в процессе подготовки к эксперименту. Теперь Holometer непрерывно принимает данные, и по данным, собранным за час, физики смогли подтвердить, что нет никаких высокочастотных волн в искомом диапазоне.

Отсутствие сигнала предоставляет ценную информацию о нашей Вселенной. Хотя этот результат не доказывает существование экзотических объектов, он прячет область Вселенной, где их можно было бы обнаружить.

«Это означает, что если первичные космические струны или крошечные бинарные черные дыры существуют, они должны быть намного дальше, — говорит Хоган. — Накладывает ограничение на то, сколько всего этого может быть там».

Обнаружение высокочастотных гравитационных волн — вторичная цель Holometer. Его основная цель заключается в определении того, действует ли наша Вселенная как двумерная голограмма, в которой информация закодирована в двумерных битах в масштабах Планка, длиной в десять триллионов триллионов раз меньше атома. Это исследование все еще продолжается.

«Мне приятно внести что-то новое в науку, — говорит исследователь Holometer Бобби Ланца. — Это часть постепенного уничтожения всей картины Вселенной».