Мігель Зумалакрарегу добре знає, що відчуваєш, коли теорії обвалюються. У вересні 2017 року він відвідав Інститут теоретичної фізики в Саклі, поблизу Парижа, де він виступав на конференції, присвяченій “темній енергії” та альтернативам теорії гравітації.
На той час офіційно ще не було оголошено про виявлення та вимірювання гравітаційних хвиль, викликаних зіткненням двох нейтронних зірок. Але пізніше спірний твіт вченого спровокував велику кількість чуток у астрономічному середовищі, а захоплені дослідники обговорювали це відкриття в тихих академічних коридорах.
Зумалакрарегу, теоретичний фізик з Центру космічної фізики Берклі, досліджував, як вплине відкриття зіткнення нейтронних зірок на альтернативні теорії гравітації. Ці теорії намагаються вирішити два великі протиріччя у нашому розумінні Всесвіту.
Десятиліттями проводилися спостереження, які показали, що навколишній простір, за словами академічної астрономії, наповнений невидимими частинками - так званою “темною матерією”, яка виробляє антигравітаційну силу, відому як “темна енергія”.
Альтернативні теорії гравітації, в свою чергу, намагаються відмовитися від цих гіпотез, змінюючи силу тяжіння так, щоб вона “правильно” описувала всі відомі спостереження, і не вимагала “темних речей” для їх пояснення.
На конференції Зумалакрарегу посміявся над небезпекою поєднання науки і Твіттера, а потім пояснив, які будуть наслідки, якщо чутки виявляться правдою. Багато дослідників знали про злиття нейтронних зірок, але більшість з них просто “не усвідомлювали, що їхні теорії на межі знищення”, - пізніше він написав у своєму електронному листі.
У Саклі він навів останні аргументи традиціоналістів.
“Ця конференція нагадувала похорон, де ми повідомили деяким учасникам новини”.
Нейтронний колапс
Злиття нейтронних зірок 2017 року стало історичною подією, яка підтвердила загальну теорію відносності Альберта Ейнштейна. Однак кілька місяців потому нові дані, отримані вченим, поставили під сумнів деякі постулати цієї теорії.
Дослідники вивчали обертові нейтронні зірки, також відомі як пульсари. Вони виявили, що рух зірок не повністю відповідає прогнозам загальної теорії відносності.
Астрономи використили зоряні системи для дослідження гравітації в космічному масштабі з високою точністю. Проте, немає реальних даних про існування “темної енергії” або “темної матерії”. Ці факти можуть бути пояснені як за допомогою парадигмальних інструментів, так і альтернативних моделей. Матеріал накопичується, а прихильники різних поглядів впевнено стверджують, що це підтверджує їхню “астрономію”. Змішані спостереження сприяють формуванню різноманітних пояснень.
26 березня 1859 року Едмон Лескарбо, молодий лікар-аматор-астроном з маленького села південніше Парижа, помітив невідомий об’єкт, який рухався паралельно сонцю, за допомогою свого телескопа. Він повідомив про це відкриття Урбену Левер’є, провідному астроному того часу. Левер’є намагався пояснити незвичайний рух Меркурія.
Усі інші планети обертаються навколо Сонця відповідно до законів руху і тяжіння Ісаака Ньютона, але Меркурій з кожним обертом навколо сонця зміщується з орбіти на дуже малу величину, явище, відоме як зміщення перигелію. Левер’є висунув гіпотезу про існування невидимої “темної” планети, яка “тягне” Меркурій. Спостереження Лескарбо темної плями, яка проходить поруч із сонцем, показали, що планета, яку Левер’є спочатку назвав Вулканом, існує насправді.
Гіпотеза про “темну планету” існувала протягом тривалого часу, поступово перетворюючись на концепції “темної матерії” та “темної енергії”. Однак ніхто не зміг знайти цю “темну планету”, а зміщення перигелію Меркурія залишалося нерозв’язаним протягом майже 60 років.
Пізніше Ейнштейн розробив свою загальну теорію відносності, яка передбачала поведінку Меркурія, як це було виявлено спостереженнями. Цікаво, що спроба Левер’є пояснити ці загадкові спостереження шляхом введення в механіку руху раніше невідомого об’єкта нагадує сучасний підхід дослідників, які розглядають “паралельне” існування так званої “темної матерії” та “темної енергії”.
Протягом десятиліть астрономи помічали, що поведінка галактик не відповідає прогнозам загальної теорії відносності. “Темна матерія” - це лише гіпотетична концепція, яка пояснює цю поведінку. Так само, прискорене розширення Всесвіту можна розглядати як прояв “темної енергії”. Однак це лише гіпотеза, яку можна прийняти на віру, але не можна довести.
Основна проблема полягає в “невловимості” темряви, незалежно від того, чи є вона матеріальною. Це нагадує вигадану планету Вулкан - не більше того.
Перевірюваність неперевірюваного
Однак для того, щоб будь-яка альтернативна теорія гравітації "запрацювала", вона повинна не тільки позбутися "темної матерії" і "темної енергії", а й модифікувати передбачення загальної теорії відносності у всіх стандартних контекстах.
Уже очевидно, що ЗТВ Ейнштейна - це окремий випадок складнішої теорії, - ньютонова версія також працювала, але тільки в "земних" або "навколоземних" масштабах.
Утім, і "альтернативники" теж не поспішають із науковими узагальненнями. Теорію струн можна розглядати як непорозуміння, а пояснення за допомогою квантової гравітації не дають релятивістських прогнозів.
Інші теорії страждають на неправильні прогнози, тому перед теоретиками лежить поки що нездійсненне завдання зі створення більш точної концептуальної основи. Принаймні таке розуміння в частини астрономів і фізиків є, що певною мірою тішить, - засилля академізму тут не на стільки велике, як в інших наукових галузях.
MOND, або змінена ньютонівська динаміка, - одна з найвідоміших альтернативних теорій гравітації. Ця теорія спробує відмовитися від концепції “темної матерії”, змінюючи при цьому наше розуміння гравітації. Астрономи погоджуються, що гравітація, яку створює звичайна матерія, не здається достатньою для утримання швидко рухаючихся зірок у галактичних системах.
Гравітаційне тяжіння “темної матерії” вважається різницею між спостережуваним і потрібним гравітаційним ефектом. Однак MOND пропонує два види гравітації. У зонах з сильною гравітацією тіла підкоряються закону тяжіння Ньютона. Але при надзвичайно слабкій гравітації, як на зовнішніх частинах галактик, MOND пропонує інший тип гравітації, який повільніше зменшується з відстанню.
“Ідея полягає в тому, щоб посилити гравітацію, коли вона має бути слабшою, наприклад, на околиці галактики”, - каже Зумалакрарегу.
Іншим поясненням є введення в гравітаційне поле додаткового елемента TeVeS (тензор-вектор-скаляр), релятивістського аналога MOND. В той час як MOND є модифікацією ньютонівської теорії гравітації, TeVeS є спробою взяти загальне уявлення про MOND і перетворити його на повну математичну теорію, що може бути застосована до всесвіту загалом - не тільки до відносно невеликих об’єктів, таких як окремі зоряні системи і галактики..
Такий підхід допомагає розуміти криві обертання галактик, адже він робить силу тяжіння на їхніх околицях узгодженою з даними спостереження. Однак, TeVeS збільшує гравітацію за допомогою “скалярних” і “векторних” полів, що може бути проблематично для астрономічного погляду на світ. Скалярне поле можна порівняти з температурою в атмосфері, а векторне поле - з вітром.
Також існують теорії Галілеона, які намагаються модифікувати загальну теорію відносності за допомогою скалярного поля. Ці теорії, такі як теорія Бранса-Дікке, теорії хамелеонів і квінтесенції, пропонують різні математичні моделі з неоднозначним прогностичним потенціалом.
Є й автономні теорії, наприклад, теорія Еріка Верлінде. Він стверджує, що закони гравітації виникають із законів термодинаміки, подібно до того, як хвилі виникають із молекул води в океані.
Верлінде відзначив, що його концепції не є “альтернативною теорією” гравітації, але скоріше “наступною теорією гравітації”, яка включає і перевершує загальну відносність Ейнштейна. Однак, академічна астрономка Енн Арчибальд висловила сумніви щодо цієї теорії, зазначивши, що вона, на її думку, ще недостатньо розроблена для точного тестування.
Зумалакрарегі також висловив схожу думку, стверджуючи, що теорія Верлінде заснована на “чудернацьких словах”, але не має математичної основи для розрахунку прогнозів і проведення достовірних тестів. Він зазначив, що прогнози, які робляться іншими теоріями, відрізняються від прогнозів загальної теорії відносності, але ці відмінності можуть бути мінімальними, що ускладнює виявлення даних, які підтверджують обчислення.
Прикладом може слугувати злиття нейтронних зірок. Коли гравітаційно-хвильова обсерваторія LIGO виявила гравітаційні хвилі, що виникли в результаті цієї події, космічний супутник Фермі підтвердив гамма-сплеск з того ж місця. Обидва сигнали подорожували через всесвіт протягом 130 мільйонів років, перш ніж досягти Землі всього на 1,7 секунди різниці. Ці майже одночасні спостереження, за словами Пауло Фрайра, астрофізика в Інституті радіоастрономії ім. Макса Планка в Бонні, “жорстоко і безжально вбили” теорію TeVeS.
Фрайр зазначив, що “гравітація і гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю світла з надзвичайно високою точністю, що зовсім не те, що було передбачено цими [альтернативними] теоріями”. Така ж доля спіткала деякі теорії Галілеона, які припускають наявність додаткового скалярного поля для пояснення прискореного розширення всесвіту. Вони також передбачають, що гравітаційні хвилі поширюються повільніше за світло.
Астрофізик Браян Шмідт каже, що злиття нейтронних зірок також убило і цей пласт гіпотез. Подальші обмеження виходять від нових пульсарних систем. У 2013 році Арчибальд та її колеги виявили незвичайну потрійну систему: здвоєні пульсар і білий карлик, які обертаються навколо другого білого карлика. Ці три об’єкти існують у просторі, меншому, ніж орбіта Землі навколо Сонця.
Щільне налаштування, стверджує Арчибальд, пропонує ідеальні умови для перевірки важливого аспекту загальної теорії відносності, відомого як принцип сильної еквівалентності, який стверджує, що дуже щільні об’єкти сильної гравітації, такі, як нейтронні зірки або “чорні діри”, “падають” однаково, якщо їх поміщають у гравітаційне поле. Ця потрійна система дає змогу перевірити, чи точно пульсар і внутрішній білий карлик потрапляють в гравітаційне поле зовнішнього білого карлика.
У деяких теоріях альтернативної гравітації припускають, що скалярне поле, що генерується в пульсарі, має згинати простір-час набагато екстремальнішим чином, ніж білий карлик. Вони не будуть “падати” подібним чином, що призведе до порушення принципу сильної еквівалентності, а разом з тим, і загальної теорії відносності.
Протягом останніх п’яти років команда Арчібальда провела 27 000 вимірювань положення пульсара, який обертається навколо двох інших зірок. Хоча дослідження ще триває, Арчібальд впевнена, що результати будуть відповідати прогнозам теорії Ейнштейна.
Вона зазначила, що аномалії в поведінці пульсара становлять лише декілька часток на мільйон. Для об’єкта з такою сильною гравітацією це добре узгоджується з передбаченнями Ейнштейна. Якщо існує скалярне поле, воно має мінімальний вплив.
Незабаром має бути представлений тест, який покаже найкращі обмеження для цілої групи альтернативних гравітаційних теорій. Якщо теорія включає додаткове скалярне поле, воно має впливати на поведінку пульсара. Однак визначення “аномалій” є складним питанням.
Дані з іншої системи пульсарів, ймовірно, виключають теорію TeVeS. Подвійний пульсар, виявлений у 2003 році, був єдиною бінарною системою нейтронних зірок, де обидві зірки були пульсарами.
Фрайр і його колеги підтвердили, що поведінка подвійного пульсара відповідає загальній теорії відносності. Вони планували опублікувати статтю, яка “вб’є” TeVeS, але LIGO встигла першою. Фрайр вважає, що тепер немає потреби переживати за це.
Ковзання тих, хто вижив
Зумалакрарегу зазначає, що декілька гравітаційних теорій вижили після експериментів LIGO і, ймовірно, виживуть і після отримання даних пульсара.
Одна з них - це теорія Хорндескі, яка не передбачає зміни швидкості гравітаційних хвиль. Існують також теорії масивної гравітації, в яких гравітон, частинка, пов’язана із силою тяжіння, має дуже малу, але ненульову масу. Злиття нейтронних зірок ставить жорсткі обмеження на ці теорії, оскільки масивний гравітон рухатиметься повільніше, ніж світло.
Проте, в деяких теоріях маса гравітона вважається меншою, принаймні на 20 порядків нижчою за масу нейтрино, що означає, що гравітон рухається майже зі швидкістю світла. Є також кілька менш відомих концепцій, які вижили, і деякі з них важливі для вивчення, особливо в контексті “темної матерії” і “темної енергії”.
Зумалакрарегу вважає, що “темна енергія” може бути нашою єдиною спостережною підказкою, що вказує на нову і кращу теорію гравітації, або це може бути таємнича рідина з дивними властивостями, яка взагалі не має жодного стосунку до гравітації.
Відхід теорій - це просто те, як наука має працювати, стверджують дослідники-альтернативники. “Це те, що ми робимо весь час, висуваємо робочу гіпотезу і перевіряємо її”, - упевнений Енріко Барусс з Інституту астрофізики в Парижі, який працював над теоріями, подібними до MOND.
Зумалакрарегу, який також працював над цими теоріями, був спочатку засмучений, коли зрозумів, що злиття нейтронної зірки довело помилковість теорій Галілеона, але зрештою прийняв результати обстежень.
Неправильні теорії, за його словами, йдуть, але проблеми залишаються. А пропонованих пояснень недостатньо, - переконаний астрофізик. Отже, що потрібно для загальної теорії відносності та теорії зміненої гравітації?
“Це питання мучить мене вночі більше, ніж хотілося б”, - жартує Зумалакрарегу. “Доброю новиною є те, що ми значно звузили масштаб пошуків, і ми можемо спробувати розвинути теорії, що вижили”.
Шмідт вважає, що необхідно максимально точно перевіряти закони гравітації на прикладі масштабних об’єктів, використовуючи поточні та майбутні великі дослідження галактик.
“Наприклад, ми можемо порівняти вплив сили тяжіння на вигин світла, а також швидкості окремих галактик; передбачається, що вони відрізняються одна від одної, оскільки гравітація непостійна”, - уточнює він.
Дослідники також сподіваються, що майбутні телескопи виявлять більше пульсарних систем і забезпечать кращу точність у розумінні природи гравітації. Заміна LIGO на LISA допоможе вивчати гравітаційні хвилі з вишуканою точністю - проєкт діятиме до середини 2030-х років.
