Як гравітаційні хвилі можуть допомогти виявити космічні кораблі з варп-двигуном

Пам’ятаєте космічні кораблі із серіалу «Зоряний шлях»? Вони подорожували завдяки варп-двигуну, завдяки якому можна було рухатися швидше за швидкість світла. Однак, якби іншопланетяни справді літали навколо нашої галактики, чи є у нас шанс про це дізнатись? Вчені вирішили з’ясувати це питання та пояснити, до чого тут гравітаційні хвилі. SPEKA публікує переклад матеріалу The Conversation з власними доповненнями. 

Що таке варп-двигуни

Можливо, ви стикались із варп-двигунами у науково-фантастичних серіалах та книгах, зокрема у Star Trek. Варп-двигун або варп-рушій — це гіпотетична форма технології, яка стискає простір перед зорельотом і розширює його позаду. Хоча ніщо не може подорожувати швидше за швидкість світла, варп-двигун спотворює форму просторово-часового континууму, скорочуючи відстань. Таким чином, час, потрібний для переходу від точки А до точки Б, менший за час, необхідний світлу на іншому, невикривленому шляху.

Гравітаційні хвилі та пошук іншопланетних кораблів

Отож, якби кораблі з варп-двигунами справді летіли десь у досяжному для нас Всесвіті, то як би виглядав сигнал від їхніх кораблів? Дослідження показує, що ми маємо інструменти, щоб відповісти на це запитання, незалежно від того, чи існують такі речі насправді.

Телескопи, які використовують світло для дослідження космосу, тепер можуть бачити майже до межі видимого. Кожна нова частота, яку ми досліджували – від гамма- та рентгенівських променів до інфрачервоного – навчила нас чомусь новому та несподіваному.

У 2015 році був увімкнений новий тип телескопа, детектор Ligo, який шукав не світлові хвилі, а гравітаційні хвилі, які є невидимими «брижами» у просторі та часі. 

Саме таку гравітаційну хвилю виявила обсерваторія LIGO. Ця хвиля навіть має власну назву GW150914 й утворилась від злиття двох чорних дір масою приблизно 30 сонячних мас. 

Підписуйтеся на наші соцмережі

Докладніше про це відкриття Speka розповідала у матеріалі. 

Чи можливі варп-рушії у реальності

Перехід від наукової фантастики до справжньої науки здійснив фізик-теоретик Мігель Алькуб’єрре в 1994 році, коли його надихнуло змоделювати варп-двигун за допомогою рівнянь загальної теорії відносності Айнштайна, тобто як певний об’єкт залежно від маси викривлює простір-час довкола себе.  

Алькуб'єрре взявся за свою проблему з протилежного напрямку до звичайного. Він знав, який тип викривлення простору-часу йому потрібен. Такий, у якому об’єкт міг би рухатись в області викривленого простору-часу. Отже, він працював у зворотному напрямку, щоб визначити тип матерії, який знадобиться для створення цього. Це не був природний розв’язок рівнянь, а щось «зроблене на замовлення». 

Він виявив, що йому потрібна екзотична матерія (поняття фізики елементарних частинок, яке описує будь-яку (як правило, гіпотетичну) речовину, яка порушує одну чи декілька класичних умов. Подібні речовини можуть мати такі якості, як від'ємна густина енергії, чи відштовхуватися, а не притягуватися, внаслідок гравітації — ред.), а саме щось із негативною щільністю енергії, щоб спотворити простір належним чином.

Поняття екзотичної матерії зазвичай сприймається фізиками з певною дозою скептицизму, і це справедливо. Хоча математично можна описати матеріал з негативною енергією, майже все, що ми знаємо, має позитивну енергію. Але у квантовій фізиці можуть відбуватися невеликі тимчасові порушення енергетичної позитивності, і тому «відсутність негативної енергії» не може бути абсолютним фундаментальним законом.

Як виявити сигнал від варп-двигуна у космосі

Враховуючи модель простору-часу приводу деформації Алькуб’єрре, ми можемо почати відповідати на наше початкове запитання – як би виглядав сигнал від нього?

Одним із наріжних каменів сучасних спостережень гравітаційних хвиль і одним із найбільших досягнень є можливість точно передбачати форми хвиль на основі фізичних сценаріїв за допомогою інструменту під назвою «числова теорія відносності».

Цей інструмент важливий з двох причин. По-перше, тому що дані, які ми отримуємо від детекторів, усе ще дуже шумні, а це означає, що нам часто доводиться приблизно знати, як виглядає сигнал, щоб мати змогу витягнути його з потоку даних.  

(Для порівняння вже згадана GW150914. Гравітаційна хвиля змінила довжину чотирикілометрового рукава LIGO на одну десятитисячну частку ширини протона. Для порівняння: якби рукав лабораторії простягався до Проксими Центаври, (4,2 світлового року), то гравітаційна хвиля посунула розширила її б на відстань товщини волосини. — Ред.)

І по-друге, навіть якщо сигнал настільки гучний, що виділяється над шумом, нам потрібна модель, щоб його інтерпретувати. Тобто нам потрібно змоделювати багато різних типів подій, щоб ми могли зіставити сигнал із його типом; інакше у нас може виникнути спокуса відкинути це як шум або неправильно назвати це злиттям чорної діри.

Одна з проблем варп-двигуна простору-часу полягає в тому, що він природним чином не створює гравітаційних хвиль, крім початку та закінчення руху. Наша ідея полягала в тому, щоб вивчити, що станеться, коли варп-двигун зупиниться, зокрема, якщо щось піде не так. Припустімо, що поле стримування варп-двигуна зруйнувалося (часта сюжетна лінія наукової фантастики). У такому випадку, імовірно, буде вибуховий викид як екзотичної матерії, так і гравітаційних хвиль. Це те, що ми можемо змоделювати, використовуючи числову теорію відносності.

Ми знали, що буде випущений сигнал гравітаційної хвилі; будь-який безладний рух матерії створює таку хвилю. Але ми не могли передбачити амплітуду та частоту, а також те, як вони будуть залежати від розміру викривленої області.

Ми були здивовані, виявивши, що для корабля розміром 1 км амплітуда сигналу буде значною подією в нашій галактиці та навіть за її межами. На відстані 1 мегапарсек (на відстані 32 галактик Чумацький Шлях), сигнал подібний до чутливості нашого поточного детектора. Однак частота хвиль приблизно в тисячу разів перевищує діапазон, на який вони дивляться.

(Сучасні детектори гравітаційних хвиль мають високу чутливість, але частота хвиль, які були б створені у цьому сценарії, виявилася значно вищою, ніж та, на яку налаштовані поточні прилади. Це означає, що хоча сигнали можуть бути досить сильними, для їх виявлення потрібні детектори, налаштовані на інший, значно вищий частотний діапазон. — Ред.).

Ми маємо бути чесними і сказати, що ми не можемо вважати наш що такий сигнал є остаточним сигналом деформації варп-двигуна. Нам довелося зробити чимало конкретних виборів у нашій моделі. А наші гіпотетичні прибульці, можливо, зробили інші. Але як доказ принципу він показує, що випадки, що виходять за межі стандартних астрофізичних подій, можна моделювати, а вони можуть мати інші форми, які ми зможемо шукати в майбутніх детекторах.

Наша робота також нагадує нам, що порівняно з вивченням світлових хвиль ми все ще перебуваємо на стадії Галілея, фотографуючи Всесвіт у вузькому діапазоні частот видимого світла. Нам ще належить дослідити цілий спектр частот гравітаційних хвиль, які будуть чутливі до низки явищ у просторі та часі.