Utforska möjligheten att undersöka grundläggande rumtidsymmetrier via gravitationsvågsminne

6 juli 2024 feature

Denna artikel har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har framhävt följande egenskaper samtidigt som innehållets trovärdighet säkerställs:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläst

av Ingrid Fadelli , Phys.org

Som förutspått av teorin om allmänna relativitetsteorin, kan passagen av gravitationsvågor orsaka en mätbar förändring i de relativa positionerna av objekt. Detta fysiska fenomen, känt som gravitationsvågsminne, kan potentiellt utnyttjas för att studera både gravitationsvågor och rumtiden.

Forskare vid Gran Sasso Science Institute (GSSI) och International School for Advanced Studies (SISSA) genomförde nyligen en studie där de undersökte möjligheten att använda gravitationsvågsminne för att mäta rumtidssymmetrier, fundamentala egenskaper hos rumtiden som förblir desamma efter specifika transformationer. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters, föreslår att dessa symmetrier kan undersökas via observation av förskjutnings- och spinminne.

'Under en lång tid var jag nyfiken på fenomenet gravitationsvågsminne och sambandet mellan den associerade lågenergifysiken och kvantmekanik,' berättade Boris Goncharov, medförfattare till artikeln, för Phys.org. 'Jag hörde först talas om Weinbergs mjuka gravitonteorem från Prof. Paul Lasky vid Monash University i Australien, under min doktorandtid, när vi diskuterade gravitationsvågsminne. Sedan lärde jag mig om den så kallade "Infrared Triangle" som kopplar samman det mjuka teoremet med gravitationsvågsminne och symmetrier av rumtiden vid oändlighet från gravitationsvågkällor.'

Weinbergs mjuka gravitonteorem och "infrared triangle" är matematiska formuleringar som beskriver samma fysikaliska fenomen: gravitationsvågsminne. Som en del av deras senaste studie, satte sig Goncharov och hans kollegor för att undersöka möjligheten att utnyttja gravitationsvågsminne för att undersöka rumtidssymmetrier.

'Detta fenomen spelar en roll i ett pågående försök att beskriva en hundra år gammal, osänkbar, och ändå oförenlig med den mikroskopiska världen, Einsteins gravitationsteori—Allmän Relativitetsteori—som en kvantfältteori vid det asymptotiska randen av rumtiden,' sade Goncharov.

'Detta tillvägagångssätt till en förening inom fysiken verkar betydande och lovande för mig; jag tycker att det är mycket spännande. Vårt specifika projekt uppstod under diskussioner om nya framsteg inom detta område med Prof. Laura Donnay, en av medförfattarna till publikationen.'

När de granskade tidigare litteratur inom detta område, fann forskarna att ett växande antal distanta rumtidssymmetrier diskuterades, men det var inte klart vilka av dessa symmetrier och motsvarande minnesterminer existerar i naturen. Även om flera fysiker hade undersökt möjligheten att detektera gravitationsvågsminne, var Goncharov och hans kollegor osäkra på vilken fysik som kunde begränsas med hjälp av deras mätningar.

'Idén att vi kunde testa dessa rumtidssymmetrier var central i vår studie,' förklarade Goncharov. 'En annan aspekt är att jag och Prof. Jan Harms är medlemmar i Einstein Telescope-samarbetet, för vilket det var viktigt att undersöka de observationsmöjligheter för gravitationsvågsminne. Einstein Telescope är nästa generations europeiska markbaserade gravitationsvågsdetektor planerad för 2030-talet.'

Hittills hade forskare ännu inte introducerat ett konventionellt tillvägagångssätt för att mäta rumtidssymmetrier via observation av gravitationsvågsminneffekter. Den senaste artikeln av Goncharov och hans kollegor syftade till att fylla denna uppenbara lucka i litteraturen.

'Det fanns mycket tidigare viktigt arbete om (a) att förutsäga när och med vilka instrument vi kommer att kunna detektera olika gravitationsvågsminnesterminer, (b) hur man analytiskt eller med numerisk relativitet beräknar gravitationsvågsminneffekter, och (c) hur olika modeller av rumtidssymmetrier ger gravitationsvågsminnesterminer,' sade Goncharov. 'Men en diskussion om rumtidssymmetrier baserad på de observerade minneffekterna verkade som en lucka i litteraturen.'

Det senaste arbetet av dessa forskare kan ses som ett bevis på principen. I deras artikel, introducerar de nya observationstester som kan användas för att undersöka rumtidssymmetrier, samtidigt som de beskriver potentiella begränsningar i deras föreslagna tillvägagångssätt, som kan åtgärdas i framtiden.

Sammantaget föreslår deras studie att poolen av tester av Allmänna Relativitetsteori kan utökas. Dessutom tillhandahåller den några användbara beräkningar som kan utföras med data som samlats in av olika gravitationsvågsdetektorer.

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