Обнаруженная в 2019 году странная гравитационная волна пришла из иной Вселенной

В сентябре 2015 года человечество впервые услышало звук Вселенной: гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном. С тех пор детекторы LIGO и Virgo зафиксировали почти сотню этих космических «эхо», большинство из которых возникло в результате столкновений чёрных дыр или нейтронных звёзд. Однако среди всех этих событий одно выделяется своей редкостью: GW190521.

Обнаруженный 21 мая 2019 года, объект GW190521 был непохож ни на один другой. Он был чрезвычайно коротким, длился всего лишь десятую долю секунды, и полностью отсутствовал характерная фаза «ухаживания» — медленный танец сближения, предшествующий окончательному столкновению двух чёрных дыр. Эта особенность заставила учёных задуматься, не может ли его происхождение отличаться от чего-либо известного.

Теперь группа исследователей из Университета Китайской академии наук предлагает смелую гипотезу, которая кажется прямо из области научной фантастики: что если GW190521 был не столкновением в нашей Вселенной, а отголоском столкновения, произошедшего в другой?

Представьте себе, что вы пытаетесь расшифровать историю, услышав только её последнее слово. В этом, по сути, и заключается задача, поставленная GW190521. Типичные столкновения чёрных дыр испускают сигнал с чёткой и предсказуемой структурой. Сначала наступает «спиральная» фаза, когда два объекта вращаются друг вокруг друга всё быстрее и быстрее, создавая звук, частота и интенсивность которого нарастают (как свист, становящийся всё резче). Затем происходит слияние – короткий и мощный всплеск. Наконец, наступает звон, когда новообразованная чёрная дыра успокаивается, вибрируя, словно колокол, по которому ударили.

У GW190521 этот свист при сближении отсутствовал. Мы зафиксировали только последний всплеск. Официальное объяснение команды LIGO-Virgo предполагает, что он был вызван слиянием двух чрезвычайно массивных чёрных дыр. Однако массы этих звёзд настолько велики, что ставят под сомнение современные модели звёздной эволюции. Сложно объяснить, как такие тяжёлые звёзды могли образоваться и столкнуться традиционным способом.

Это противоречие открыло путь альтернативным интерпретациям. Некоторые учёные предположили, что это могут быть первичные чёрные дыры, остатки Большого взрыва или даже экзотические объекты, не имеющие горизонта, такие как бозонные звёзды или, точнее, кротовые норы.

Исследование, проведённое Ци Лаем и Юнь-Сун Пяо, фокусируется на этой последней возможности. Их основная идея заключается в следующем: в другой вселенной, или в очень далёком регионе нашей собственной, произошло слияние двух чёрных дыр. Остаток этого столкновения оказался не обычной чёрной дырой, а червоточиной.

Червоточина, согласно теоретической физике, подобна туннелю или «кратчайшему пути» сквозь ткань пространства-времени, соединяющему два удалённых места или, как в этой модели, две разные вселенные. У этого туннеля есть «горловина», соединяющая обе стороны.

После столкновения во Вселенной А новообразованная червоточина начала «вибрировать», испуская собственный гравитационно-волновой сигнал. Часть этих колебаний распространилась наружу во вселенной, где она возникла. Но другая часть вошла в горловину червоточины.

Достигнув нашей Вселенной (Вселенной B), эти волны столкнулись с естественным «барьером» — областью пространства, настолько искривлённой, что она действует как зеркало для световых и гравитационных волн, называемой «фотонной сферой». Большая часть сигнала отразилась обратно, но небольшой её части удалось «пройти» сквозь этот барьер.

Согласно этой гипотезе, то, что детекторы LIGO и Virgo зафиксировали в мае 2019 года, и было именно тем первым и единственным импульсом, которому удалось проникнуть в нашу Вселенную. Мы не увидели самого столкновения, потому что оно произошло «по ту сторону». Мы услышали лишь отголоски его последних колебаний.

Исследователи объясняют это в своей статье следующим образом: «Наш анализ показывает, что наша модель даёт отношение сигнал/шум в сети, сравнимое с отношением стандартной модели слияния двойных чёрных дыр, полученным в результате коллаборации LIGO-Virgo. Проще говоря, их экзотическое объяснение соответствует данным так же хорошо, как и традиционное».

Чтобы проверить свою идею, учёным нужна была «модель» сигнала, который мог бы генерировать этот сигнал. Поскольку червоточина могла быстро схлопнуться в обычную чёрную дыру, а последующие сигналы могли быть слишком слабыми для обнаружения, они предположили, что GW190521 был первым и единственным обнаруженным сигналом.

Они смоделировали это эхо как короткий, простой импульс, имеющий форму гауссовского колокола (плавный пик на графике) с определённой центральной частотой. Затем они сравнили эту упрощённую модель с реальными данными, полученными детекторами Хэнфорда (H1), Ливингстона (L1) и Вирго (V1).

Результаты оказались неожиданными. «Сила» сигнала их модели, измеренная с помощью так называемого отношения сигнал/шум (SNR), оказалась практически идентичной сигналу модели столкновения чёрных дыр, что демонстрирует, с точки зрения обнаружимости, полную жизнеспособность гипотезы о червоточинах.

Но современная наука идёт дальше. Чтобы сравнить, какое из двух объяснений более вероятно, учёные используют продвинутый статистический метод, называемый байесовским анализом, который вычисляет «коэффициент Байеса». Этот коэффициент показывает, насколько больше данные подтверждают одну модель по сравнению с другой.

Вердикт байесовского анализа оказался неоднозначным. Стандартная модель столкновения чёрных дыр остаётся несколько предпочтительнее. Однако это преимущество минимально. Исследование приходит к выводу, что, хотя байесовский фактор несколько благоприятствует стандартной модели слияния двойных чёрных дыр, он недостаточно значим, чтобы исключить возможность того, что модель «кротовая нора-эхо» является жизнеспособной гипотезой для события GW190521.

Эта работа не претендует на открытие кротовой норы. Это то, что в науке называется «исследованием осуществимости». Её цель — показать, что, казалось бы, надуманная идея заслуживает рассмотрения и не может быть отвергнута на основании имеющихся данных.

Это предложение поднимает захватывающие вопросы. Возможно ли физически образование стабильной червоточины после столкновения? Теоретические червоточины требуют существования экзотической формы материи с «отрицательной энергией», которая пока не наблюдалась напрямую, но является предметом интенсивных исследований в космологии.

Будущее этого направления исследований многообещающе. Авторы предполагают, что, улучшив свои модели эхосигналов, включив в них более детальные физические характеристики, они смогут повысить их достоверность в будущих анализах.

Более того, GW190521 может быть не единственным. Недавно, в ноябре 2023 года, было обнаружено ещё одно гравитационно-волновое событие , GW231123, имеющее ту же кратковременную, всплескообразную природу. Это новое событие уже подтолкнуло к активному исследованию его происхождения. Наличие большего количества подобных сигналов может предоставить необходимую статистику для различения стандартной модели и экзотических альтернатив, подобных представленной здесь.