Слияние черных дыр помогает понять, подчиняется ли Вселенная симметрии

Фото из открытых источников

Крупные открытия в физике в последние десятилетия демонстрируют, что природные законы, от самых простых до максимально сложных, тесно связаны с симметриями. Одним из топовых достижений в этой области является теорема Ноэтера, что сформулировал Эмми Ноэтер в 1918 году. Она утверждает, что каждому физическому закону сохранения соответствует фундаментальная симметрия. Проверить эти идеи в условиях космоса, возможно, поможет изучение слияний черных дыр.

В физике симметрией называют свойство, что остается неизменным при определенных преобразованиях. Это означает, что энергия симметричных объектов сохраняется. Пространство симметрично по всем направлениям: законы физики сохраняются неизменными. Эта идея лежит в основе теоремы Ноэтера, показавшей, что каждый закон сохранения (в т.ч., закон сохранения энергии или импульса) вписывается в фундаментальную симметрию во Вселенной.

Симметрии остаются в основе и более продвинутых областей, таких как физика частиц. Они же являются базовыми для общей относительности Эйнштейна, описывающей гравитацию как деформацию пространства-времени. Это же понятие играет решающую роль для проверки общей теории относительности в экстремальных условиях, в частности, при образовании и взаимодействиях черных дыр.

Но как исследователям понять, соблюдается ли в реальности общая относительность и ее симметрии в таких ситуациях? При слиянии звездных черных дыр происходит генерация гравитационных волн (волн в пространстве-времени), что обнаруживаются такими обсерваториями, как LIGO. Проверять фундаментальные принципы физики можно, анализируя эти волны.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, изучало поляризацию гравитационных волн при слиянии черных дыр. Поляризация вызвана вращением черных дыр в момент столкновения, и исследователи проверили симметрию четности. Результаты подтвердили: четность соблюдается во время наблюдаемых слияний.

Еще одним важным аспектом слияний является отдача образующейся черной дыры. Когда система черных дыр сливается, конечная черная дыра может испытывать гравитационный удар, способный отправить ее прочь от исходной точки. Эта отдача в идеале не должна проявлять никакого смещения, то есть, не должно наблюдаться больше черных дыр, что удаляются от нас, чем движущихся к нам. И в этом аспекте исследование не выявило нарушения этой симметрии.

Имеющихся данные пока недостаточно для окончательных выводов о справедливости симметрий в экстремальных условиях. Но данные исследования стали значительным прогрессом в нашем понимании законов гравитации и общей теории относительности.