Het verkennen van de mogelijkheid om fundamentele ruimtetijd symmetrieën te onderzoeken via zwaartekrachtsgolfgeheugen

6 juli 2024 feature

Dit artikel is beoordeeld volgens het editoriaal proces en de beleidslijnen van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

• gecontroleerd op feiten
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• gecorrigeerd

door Ingrid Fadelli, Phys.org

Zoals voorspeld door de theorie van algemene relativiteit, kan de passage van zwaartekrachtgolven een meetbare verandering in de relatieve posities van objecten achterlaten. Dit fysieke fenomeen, bekend als zwaartekrachtgolfgeheugen, zou mogelijk kunnen worden gebruikt om zowel zwaartekrachtgolven als ruimtetijd te bestuderen.

Onderzoekers van het Gran Sasso Science Institute (GSSI) en de Internationale School voor Geavanceerde Studies (SISSA) hebben onlangs een studie uitgevoerd waarin ze de mogelijkheid verkennen om zwaartekrachtgolfgeheugen te gebruiken om ruimtetijdsymmetrieën te meten, fundamentele eigenschappen van ruimtetijd die hetzelfde blijven na specifieke transformaties. Hun paper, gepubliceerd in Physical Review Letters, suggereert dat deze symmetrieën kunnen worden onderzocht door de observatie van verplaatsings- en spin-geheugen.

'Al lange tijd was ik nieuwsgierig naar het fenomeen van zwaartekrachtgolfgeheugen en de verbinding van de daarbij behorende laag-energetische fysica met kwantummechanica', vertelde Boris Goncharov, co-auteur van het paper, aan Phys.org. 'Ik hoorde voor het eerst over Weinbergs zachte gravitontheorema van Prof. Paul Lasky aan de Monash Universiteit in Australië, tijdens mijn promotieonderzoek, toen ik zwaartekrachtgolfgeheugen besprak. Toen leerde ik over de zogenaamde 'Infrarood Driehoek' die het zachte theorema verbindt met zwaartekrachtgolfgeheugen en symmetrieën van ruimtetijd aan de rand van het heelal van zwaartekrachtgolvenbronnen.'

Weinbergs zachte gravitontheorema en de 'infrarood driehoek' zijn wiskundige formuleringen die hetzelfde fysieke fenomeen beschrijven: zwaartekrachtgolfgeheugen. Als onderdeel van hun recente studie gingen Goncharov en zijn collega's op onderzoek uit naar de mogelijkheid om zwaartekrachtgolfgeheugen te gebruiken om ruimtetijdsymmetrieën te onderzoeken.

'Dit fenomeen speelt een rol in een voortdurende poging om de honderd jaar oude, onzinkbare en toch onverenigbare met de microscopische wereld Einstein's zwaartekrachtsleer—Algemene Relativiteit—te beschrijven als een kwantumveldentheorie aan de asymptotische rand van de ruimtetijd', zei Goncharov.

'Deze benadering van een eenwording in de natuurkunde lijkt voor mij substantieel en veelbelovend; ik vind het erg spannend. Ons specifieke project ontstond tijdens het bespreken van nieuwe vorderingen op dit gebied met Prof. Laura Donnay, een co-auteur van de publicatie.'

Toen ze eerdere literatuur op dit gebied beoordeelden, ontdekten de onderzoekers dat er een toenemend aantal verre ruimtetijdsymmetrieën werd besproken, maar het was niet duidelijk welke van die symmetrieën en de bijbehorende geheugen-termen in de natuur bestaan. Hoewel verschillende fysici de mogelijkheid hadden onderzocht om zwaartekrachtgolfgeheugen te detecteren, waren Goncharov en zijn collega's niet zeker welk fysica kon worden beperkt met behulp van hun metingen.

'Het idee dat we deze ruimtetijdsymmetrieën konden testen was centraal in ons onderzoek,' legde Goncharov uit. 'Een ander aspect is dat ik en Prof. Jan Harms leden zijn van de Einstein Telescoop samenwerking, waarvoor het belangrijk was om de observationele vooruitzichten van zwaartekrachtgolfgeheugen te onderzoeken. De Einstein Telescoop is de volgende generatie Europese op de grond gebaseerde detector voor zwaartekrachtgolven, gepland voor de jaren 2030.'

Tot nu toe hadden onderzoekers nog geen conventionele benadering geïntroduceerd om ruimtetijdsymmetrieën te meten via de observatie van zwaartekrachtgolfgeheugeneffecten. Het recente paper van Goncharov en zijn collega's was gericht op het vullen van deze schijnbare lacune in de literatuur.

'Er was veel eerder belangrijk werk gericht op (a) voorspellen wanneer en met welke instrumenten we verschillende zwaartekrachtgolfgeheugentermen kunnen detecteren, (b) hoe zwaartekrachtgolfgeheugeneffecten analytisch of met behulp van numerieke relativiteit te berekenen, en (c) hoe verschillende modellen van ruimtetijdsymmetrieën zwaartekrachtgolfgeheugentermen opleveren,' zei Goncharov. 'Echter, een discussie over ruimtetijdsymmetrieën gebaseerd op de waargenomen geheugeneffecten leek een lacune in de literatuur te zijn.'

Het recente werk van deze onderzoekers zou als een bewijs van principe kunnen worden gezien. In hun paper introduceren ze nieuwe observationele tests die zouden kunnen worden gebruikt om ruimtetijdsymmetrieën te onderzoeken, terwijl ze ook mogelijke beperkingen van hun voorgestelde benadering schetsen, die in de toekomst zouden kunnen worden aangepakt.

Over het algemeen suggereert hun studie dat de reeks van tests van de Theorie van Algemene Relativiteit zou kunnen worden uitgebreid. Bovendien biedt het enkele nuttige berekeningen die kunnen worden uitgevoerd met behulp van gegevens die verzameld zijn door verschillende detectoren van zwaartekrachtgolven.

Goncharov and his colleagues hope that their paper will open further discussions about spacetime symmetries and gravitational wave memory among others within their research community. These discussions could potentially pave the way towards the unification of various physics theories.

'At the moment, with Sharon Tomson (a new Ph.D. student at my current institute, AEI in Hannover, Germany), and Dr. Rutger van Haasteren, I am starting a search for gravitational wave memory with Pulsar Timing Arrays (PTAs).'

PTAs are tools for astronomical observation that collect highly stable and regular signals originating from pulsars (i.e., rapidly spinning neutron stars), using radio telescopes on Earth. These neutron stars behave like highly precise clocks, as they are sensitive enough to pick up delays and advances of radio pulses resulting from the propagation of gravitational waves across the Milky Way.

'PTAs are galactic-scale detectors, which currently seem to be gradually picking up a joint hum of slowly inspiraling supermassive binary black holes in the nearby universe. The signal yields slow variations in pulse arrival times that are most prominent on timescales of several years to decades,' Goncharov added.

'One standing out merger of supermassive binary black holes in a nearby galaxy may cause a gravitational wave burst with memory, detectable by PTAs. Although such bursts are very rare, we hope to extract some useful information from the data by placing limits on their existence.'

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network