нейтрино

Чайная ложка вещества нейтронной звезды весит миллиарды тонн. Когда два таких сверхплотных объекта сталкиваются, они не просто создают мощнейшие гравитационные волны — они оставляют постоянный «шрам» в ткани пространства-времени.

Исследование международной группы учёных опубликовано в Physical Review Letters и посвящено проверке так называемого эффекта памяти гравитационных волн, сообщает Securitylab.ru. Нейтронные звезды возникают после взрыва сверхновой. Это компактные объекты диаметром около 20 километров и массой больше солнечной. Внутри них материя сжата до предела: атомы разрушены, вещество почти полностью состоит из нейтронов. При сближении двух таких звёзд система начинает излучать гравитационные волны, которые уже фиксируются детекторами LIGO и Virgo.

Эффект памяти: волна, которая не исчезает

Обычно гравитационная волна растягивает и сжимает пространство, после чего всё возвращается в исходное состояние. Однако теория Эйнштейна предсказывает и другое: после прохождения волны может остаться крошечный, но постоянный сдвиг. Частицы в детекторе не возвращаются точно на прежнее место. Этот остаточный след и называют эффектом памяти.

Впервые такие расчёты провели Яков Зельдович и Александр Полнарёв в 1974 году. Позднее Деметриос Христодулу показал, что нелинейность уравнений Эйнштейна усиливает этот эффект. Современные исследования добавили новые источники вклада — электромагнитное излучение и поток нейтрино.

Магнитные поля, нейтрино и 50 процентов сигнала

Учёные из Университета Иллинойса, Академии Афин, Университета Валенсии и Университета штата Монтклер смоделировали слияние нейтронных звёзд с разными массами, уравнениями состояния и конфигурациями магнитного поля. Они отдельно учитывали выброс нейтрино и барионного вещества, чтобы понять вклад каждого фактора.

Выяснилось, что магнитные поля, нейтрино и выброшенное вещество дают от 15 до 50 процентов общей гравитационной памяти. Причём более сильное магнитное поле не всегда означает больший эффект: в некоторых случаях намагниченные системы демонстрировали меньшую итоговую память. В отличие от чёрных дыр, у нейтронных звёзд память может накапливаться дольше после основного столкновения.

Наблюдение этого эффекта стало бы важной проверкой общей теории относительности. Обнаружение памяти позволило бы получить данные о массе, внутреннем устройстве и магнитном поле нейтронной звезды. Фактически детекторы гравитационных волн смогли бы «прощупать» сверхплотное вещество, недоступное для лабораторных экспериментов. Пока это только первый шаг, но учёные рассчитывают, что будущие наблюдения помогут увидеть этот «шрам» во Вселенной.

Современная космология столкнулась с системным сбоем. Как следует из исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, расчёты эволюции Вселенной перестали совпадать с реальными наблюдениями. Ученые признают: при экстраполяции данных раннего космоса на миллиарды лет вперед теория дает иной результат, чем телескопы.

В распоряжении физиков есть сверхточная карта ранней Вселенной. Она построена по реликтовому излучению и считается эталоном. Однако при использовании стандартной модели и уравнений Эйнштейна современный космос должен быть более «комковатым». Реальность оказалась иной.

Напряжение S8: где теория ломается

Космологи проверяют свои модели двумя способами. Первый опирается на анализ реликтового излучения, зафиксированного спутником Planck. Эти данные описывают Вселенную в возрасте 380 тысяч лет и позволяют рассчитать ее будущее.

Второй способ — прямое наблюдение современной Вселенной. Здесь используется метод слабого гравитационного линзирования. Масса, в основном темная материя, искривляет пространство-время и искажает свет далеких галактик. По этим искажениям строится карта распределения материи.

Проблема в том, что методы перестали сходиться. Современные измерения показывают более равномерное распределение материи. Значение параметра S8 оказывается ниже ожидаемого. Расхождение достигает 2–3 сигма. Для физики это означает либо систематическую ошибку, либо неполноту модели.

Темный сектор с неожиданной связью

В стандартной космологии темная материя считается холодной и пассивной. Она почти не взаимодействует с окружающим миром, кроме гравитации. Нейтрино также рассматриваются как почти независимые частицы, свободно пронизывающие пространство.

Авторы новой работы предложили иной сценарий. Они допустили наличие упругого рассеяния между темной материей и нейтрино. В ранней Вселенной нейтрино были чрезвычайно плотными и быстрыми. Даже слабое взаимодействие позволяло им передавать импульс частицам темной материи.

Этот процесс приводит к эффекту диффузионного затухания. Гравитация стремится собрать темную материю в плотные гало. Рассеяние нейтрино этому мешает. В результате рост структур замедляется, а мелкие колебания плотности сглаживаются.

Именно это, по расчетам, снижает параметр S8. Вселенная к нашему времени выглядит более однородной, чем предсказывает стандартная модель без взаимодействий.

Данные, симуляции и граница открытия

Для проверки гипотезы ученые объединили несколько независимых источников наблюдений:

• данные спутника Planck
• измерения телескопа ACT с высоким угловым разрешением
• карту распределения материи DES Y3

Анализ включал сложное компьютерное моделирование и учет нелинейной гравитации. Статистика показала, что стандартная модель Lambda-CDM плохо описывает совокупность данных. Модель с взаимодействием темной материи и нейтрино устраняет противоречие.

Оптимальная сила взаимодействия оценивается параметром около 10^-4. Статистическая значимость достигает уровня 3 сигма. В физике это считается серьезным свидетельством, но еще не открытием.

Если выводы подтвердятся, темная материя перестанет быть пассивным фоном. Она станет активным участником процессов во Вселенной. Окончательный ответ должны дать будущие наблюдения обсерватории Веры Рубин и телескопа CSST.