Поширення гравітаційних хвиль через речовину може виявити брижі в просторі-часі, породжені Великим вибухом
Два фізики плазми використали поширення електромагнітних хвиль через плазму як аналог гравітаційних хвиль, розробивши набір рівнянь, які описують, на що слід звернути увагу, коли гравітаційні хвилі подорожують крізь зірки та газ у глибинах космосу.
Ці ознаки можуть вказувати на невловимі гравітаційні хвилі, які подорожують у космосі, за межами нашої обмеженої здатності їх виявити – гігантські низькочастотні хвилі, породжені зіткненням надмасивних чорних дір, менший шум, створений обертанням подвійних білих карликів, і колосальний дзвін розширення Всесвіту лише за частки секунди після Великого вибуху.
«Ми не можемо побачити ранній Всесвіт безпосередньо, але, можливо, ми зможемо побачити його опосередковано, якщо подивимося, як гравітаційні хвилі того часу вплинули на матерію та випромінювання, які ми можемо спостерігати сьогодні», — каже фізик Діпен Гарг з Прінстонського університету.
Гравітаційні хвилі, які виникли в результаті зіткнення двох чорних дір зоряної маси, були вперше виявлені людьми в 2015 році на відстані 1,4 мільярда світлових років. Гравітаційні хвилі, які вперше передбачив Ейнштейн, схожі на брижі у ставку: сам простір-час розтягується та стискається внаслідок гравітаційного зриву, спричиненого масивною подією.
Таким чином, інструмент, який виявив ці хвилі, був не телескопом, а точним набором лазерів і дзеркал, які реагують на викривлення простору-часу, створюючи шаблон, який вчені можуть розшифрувати, щоб визначити характеристики джерела гравітаційних хвиль. Але технологія обмежена: наразі ми можемо виявляти лише гравітаційні хвилі в режимі зіткнення маси зірок — чорної діри та нейтронної зірки.
Інші джерела гравітаційних хвиль численні, але в даний час – і, можливо, лише зараз – недоступні. Але Гарг і його колега, фізик Ілля Додін з Прінстонської лабораторії фізики плазми, у ході своїх досліджень синтезу плазми зрозуміли, що може бути інший спосіб побачити ці приховані хвилі.
Плазмовий термоядерний синтез одного дня може стати альтернативним і чистим джерелом енергії для живлення світу, але попереду ще довгий шлях. Вченим потрібна детальна модель, яка б описувала шлях електромагнітних хвиль, які проходять через плазму. І виявляється, що це має бути надзвичайно схоже на те, як гравітаційні хвилі рухаються крізь речовину.
«По суті, ми використовуємо механізми плазмових хвиль для вирішення проблеми гравітаційних хвиль», — пояснює Гарг.
Відповідно до роботи пари, розповсюдження гравітаційних хвиль через речовину має виробляти сигнал, який можна виявити – зміни, наприклад, у світлі, яке виробляють зірки, або величезні хмари газу в просторі між зірками.
Це могло б не тільки виявити гравітаційні хвилі, які на даний момент виходять за межі наших можливостей виявлення, але й дати вченим новий інструмент для вивчення зірок. Наприклад, характеристики світлового сигналу, створюваного гравітаційними хвилями в зірках, можуть змінюватися залежно від внутрішньої структури та щільності зірки.
Гравітаційні хвилі можуть стати новим потужним інструментом у цій галузі астрономії. Робота команди також може виявитися корисною для подій гравітаційних хвиль, які ми можемо виявити: злиття чорних дір зіркової маси та нейтронних зірок.
Дослідження опубліковано в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.