Два американських фізика-теоретика показали, що темна матерія позначається на поширенні гравітаційних хвиль, змінюючи їх швидкість, але величина цієї зміни так мала, що відчути його на практиці неможливо. Також вчені оцінили вплив схожих ефектів на первинні гравітаційні хвилі і показали, що при поточному рівні розвитку техніки помітити їх теж не можна, проте в майбутньому з їх допомогою можна буде отримати інформацію про стан речовини на ранніх етапах життя Всесвіту. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
У вакуумі електромагнітні хвилі (світло) поширюються зі швидкістю близько 3 ст.1 108 метрів на секунду, яка одночасно є найбільшою можливою швидкістю в природі. Тим не менш, у прозорому середовищі швидкість світла знижується через взаємодію з електромагнітними полями частинок. Грубо кажучи, в середовищі електромагнітні хвилі постійно розсіюються, поглинаються і перевипромінюються, а тому їх ефективна швидкість знижується. Наприклад, у воді світло сповільнюється приблизно на 30 відсотків, а в склі - від півтора до двох разів. Зокрема, саме через це промені ламуються, коли проходять через кордон прозорого середовища і повітря, а олівець, поміщений у склянку з водою, здається «зламаним». Крім того, в середовищі, на відміну від вакууму, електромагнітні хвилі поступово загасають: так, при проходженні через метровий шар ідеально чистої води інтенсивність світла падає на 1,5 відсотка, а після стометрового шару - майже на чверть. У брудній воді поглинання ще сильніше. Через це в океані на глибині понад двісті метрів практично повністю темно.
Щось схоже відбувається і з гравітаційними хвилями, які являють собою коливання кривизни простору-часу. У порожньому просторі, яке не заповнене частинками і не спотворюється полями зірок або інших масивних об'єктів, гравітаційні хвилі вільно рухаються зі швидкістю світла відповідно до передбачень Загальної теорії відносності. Однак в середовищі гравітаційні хвилі повинні поступово загасати, оскільки коливання метрики будуть «штовхати» і розганяти частинки, витрачаючи на це енергію хвилі. У середині минулого місяця група індійських фізиків-теоретиків показала, що швидкість цього загасання пропорційна в'язкості середовища, в якому поширюються хвилі, якщо її можна розглядати як неідеальну рідину. Швидкість хвиль при цьому не змінюється. Це дозволило вченим оцінити в'язкість міжзоряного середовища, використовуючи дані спостережень групи LIGO/Virgo.
Тим не менш, у новій статті американські фізики-теоретики Рафаель Флагер (Raphael Flauger) і Стівен Вайнберг (Steven Weinberg) не погоджуються з цим результатом, зауважуючи, що міжзоряне середовище не можна описувати як рідину. Насправді, середня концентрація атомів водню в міжзоряному середовищі оцінюється однією часткою на кубічний сантиметр, що при характерних розмірах атома дає довжину вільного пробігу близько 1011 кілометрів. Це істотно перевищує довжини зареєстрованих гравітаційних хвиль, що знаходяться в проміжку від 300 до 1500 кілометрів. Як стверджують вчені, те ж саме можна сказати і про довжину вільного пробігу частинок темної матерії, яка становить понад 80 відсотків від маси матерії і повинна сильніше позначатися на поширенні гравітаційних хвиль. Тому фізики запропонували розглядати космічну матерію як безстоликувальний газ і перевірили, як гравітаційні хвилі поводяться на його тлі.
Дотримуючись стандартного для цього типу завдань підходу, вчені виписали кінетичне рівняння Больцмана, знехтували в ньому зіткненнями частинок і включили в нього в зовнішні сили, які викликаються обуреннями метрики при проходженні гравітаційної хвилі. Послухати і почитати про кінетичне рівняння можна, наприклад, у цій лекції Леоніда Максимова. Для простоти теоретики розглядали випадок нерелятивісткої матерії, тобто матерії, яка рухається зі швидкістю багато менше швидкості світла, - за сучасними уявленнями, велика частина темної матерії перебуває саме в такому стані (модель холодної темної матерії, ^ CDM). Вирішуючи рівняння, фізики вирахували поправки до енергетичного спектру гравітаційних хвиль, які пов'язані зі швидкістю поширення і з загасанням хвиль (оскільки уявну добавку до швидкості можна інтерпретувати як коефіцієнт загасання). У разі порожнього простору спектр лінійний, тобто швидкість хвиль збігається зі швидкістю світла.
Несподівано виявилося, що в розглянутої моделі загасання хвиль не відбувається - замість цього швидкість гравітаційних хвиль зменшується не невелику величину, пропорційну щільності матерії і довжині хвилі. Більш того, ця зміна настільки мало, що виміряти її навіть в далекому майбутньому не представляється можливим. Так, для гравітаційної хвилі з найбільшою можливою довжиною хвилі, порівнянної з радіусом видимого Всесвіту, ця зміна становить менше однієї мільйонної від швидкості світла, а для зареєстрованих обсерваторіями LIGO/Virgo хвиль - менше 10 − 43 від швидкості світла. Тому автори підсумовують, що в даний час темна метрія не може мати скільки-небудь помітного ефекту на поширення гравітаційних хвиль.
Проте на ранніх етапах життя Всесвіту, коли темна матерія рухалася з релятивістськими швидкостями, вона могла більш помітно позначатися на поширенні гравітаційних хвиль (як правило, такі давні хвилі називають первинними). Переглядаючи наближення і заново вирішуючи рівняння, вчені отримали, що це дійсно так, і первинні гравітаційні хвилі можуть нести в собі інформацію про стан речовини на ранніх етапах - наприклад, про константів зв'язку і щільності енергії, які входять у вирази для фазового зрушення і закон дисперсії. На жаль, первинні гравітаційні хвилі мають низьку частоту і повинні були придушуватися на більш пізніх етапах еволюції Всесвіту. Зокрема, за оцінками вчених частота гравітаційних хвиль, на яких позначатиметься вплив матерії, лежить в діапазоні від 10 − 5 до 10 − 2 герц. При поточному рівні детекторів зареєструвати такі хвилі не можна, проте в майбутньому такі установки можуть бути побудовані.
Спостереження групи LIGO і приєдналася до неї в серпні минулого року обсерваторії Virgo дозволяють вченим докладно досліджувати гравітаційні хвилі і перевірити, чи існують незвичайні ефекти, які пророкують теорії за межами Стандартної моделі і Загальної теорії відносності. Наприклад, за допомогою цих спостережень фізикам вдалося встановити обмеження на масу гравітонів, швидкість гравітаційних хвиль, розмірність і модуль упругості простору-часу, в якому ми живемо. Крім того, в майбутньому, коли точність гравітаційних детекторів зросте, з їх допомогою можна буде відрізнити екзотичні компактні об'єкти від чорних дір і підтвердити існування первинних чорних дір.