Про зіткнення нейтронних зірок

Мігель Зумалакрарегу знає, що це таке, коли вмирають теорії. У вересні 2017 року він був в Інституті теоретичної фізики в Саклі, що неподалік Парижа, де виступив на конференції, присвяченій проблематиці "темної енергії" та альтернативним теоріям гравітації.

Тоді офіційно ще не заявляли про виявлення та вимірювання гравітаційних хвиль, спровокованих зіткненням двох нейтронних зірок. Однак пізніше суперечливий твіт ученого запалив вогняну бурю чуток в астрономічній спільноті, а збуджені дослідники обговорювали відкриття в тихих академічних коридорах, пише Альтернативна наука.

Зумалакрарегу, фізик-теоретик із Центру космічної фізики Берклі, вивчав, як відкриття зіткнення нейтронних зірок здатне вплинути на альтернативні теорії гравітації. Ці теорії намагаються подолати два величезних протиріччя нашого розуміння Всесвіту.

Спостереження, проведені десятиліттями, показали, що навколишній простір, як вважає академічна астрономія, заповнений невидимими частинками - так званою "темною матерією", яка продукує антигравітаційну силу, звану "темною енергією".

Альтернативні теорії гравітації, своєю чергою, намагаються усунути необхідність цих фантазій шляхом зміни сили тяжіння таким чином, щоб вона "правильно" описувала всі відомі спостереження і ніяких "темних речей" на їхнє пояснення не вимагала.

На конференції Зумалакрарегу пожартував перед аудиторією про небезпеки поєднання науки і Твіттера, а потім пояснив, які будуть наслідки, якщо чутки виявляться правдою. Багато дослідників знали про злиття нейтронних зірок, проте більшість із них просто "не зрозуміли, що їхні теорії перебувають на межі смерті", - пізніше вчений написав у своєму електронному листі.

У Саклаї він перерахував останні доводи традиціоналістів.

"Ця конференція була схожа на похорон, де ми передали новини деяким відвідувачам".

Нейтронний колапс

Зіткнення нейтронних зірок було тільки початком. Через кілька місяців після цього відкриття нові дані ускладнили життя прихильникам модифікованих теорій гравітації. Вчені проаналізували екстремальні астрономічні системи, які являють собою обертові нейтронні зірки або пульсари, намагаючись відшукати розбіжності між їхнім рухом і передбаченнями загальної теорії відносності.

Такі зоряні системи дають змогу астрономам досліджувати гравітацію в "космічному" масштабі та з вищою точністю. Однак реальних даних як про ознаки існування "темної енергії", так і "темної матерії" немає.

Насправді одні й ті самі факти "легко" пояснюються як парадигмальними інструментами, так і за допомогою альтернативних моделей.

Матеріал тільки накопичується, а прихильники протилежних таборів упевнено сурмлять про підтвердження їхньої "астрономії". Змішані спостереження сприяють тому, що астрономи формують відчайдушні пояснення.

Так, у другій половині 26 березня 1859 року Едмон Лескарбо, молодий лікар і аматор-астроном із маленького села на південь від Парижа, раптово кинув пацієнтів і кинувся до крихітної домашньої обсерваторії на даху своєї кам'яної комори.

За допомогою свого телескопа він помітив невідомий круглий об'єкт, який дивним чином рухався (к) паралельно сонцю. Він швидко відправив новину про це відкриття Урбену Левер'є, на той час провідному у світі астроному. Левер'є спробував пояснити дивацтва в русі Меркурія.

Всі інші планети обертаються навколо Сонця в ідеальній згоді із законами руху і тяжіння Ісаака Ньютона, але Меркурій з кожним витком навколо сонця зсувався з орбіти на крихітну величину, - явище, яке зараз відоме як зміщення перигелію. Але саме тоді Левер'є висунув гіпотезу про існування невидимої "темної" планети, яка "смикає" першу планету Сонячної системи. Спостереження Лескарбо темної плями, що проходить поруч із сонцем, показало, що планета, яку Левер'є спочатку назвав Вулканом, була реальною.

Але гіпотеза "темної планети" залишилася, поступово набуваючи рис "темної матерії", "темної енергії" тощо. Природно, додаткової "темної планети" ніхто не знайшов, а зміщення перигелію Меркурія залишалося загадкою протягом майже шести десятиліть.

Потім уже Ейнштейн розробив свою загальну теорію відносності, яка прямо передбачила, що Меркурій має поводитися саме так, як показували спостереження. Водночас прагнення Левер'є пояснити загадкові спостереження шляхом введення в механіку руху раніше прихованого об'єкта, нагадує манію сучасних дослідників розглядати "паралельність" існування так званої "темної матерії" і "темної енергії".

Ну так, протягом десятиліть астрономи помічали, що поведінка галактик не відповідає прогнозам загальної теорії відносності. Але "темна матерія" - це лише зручна версія, яка пояснює цю поведінку. Так само розширення Всесвіту, що прискорюється, можна розглядати як простір, що живиться "темною енергією". У таку гіпотезу можна тільки вірити. Довести її нереально.

Присмак невдачі полягає в "невловимості" темряви - матеріальна вона чи ні. Це просто вигадана планета 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.

Серед найбільш відомих альтернативних теорій гравітацій виділяється MOND - змінена ньютонівська динаміка. Теорія намагається позбутися вимоги "темної матерії", заодно змінюючи і наше визначення гравітації. Адже астрономи не заперечують, що гравітація, яку продукує звичайна матерія, здається недостатньою, щоб, наприклад, "утримувати" зірки, які швидко рухаються, всередині галактичних систем.

Передбачається, що гравітаційне тяжіння "темної матерії" становить різницю між спостережуваним і необхідним гравітаційним ефектом. Але згідно з MOND, існують два види гравітації. В областях, де сила тяжіння сильна, тіла підкоряються закону тяжіння Ньютона, в якому йдеться про те, що сила тяжіння між двома об'єктами зменшується пропорційно квадрату відстані, що їх відокремлює.

Але в умовах надзвичайно слабкої гравітації - на рівні зовнішньої частини галактик - MOND пропонує використовувати інший тип гравітації. Ця гравітація повільніше зменшується з відстанню, а це означає, що вона не слабшає.

"Ідея полягає в тому, щоб посилити гравітацію, коли вона має бути слабшою, наприклад, на околиці галактики", - каже Зумалакрарегу.

Ще одне пояснення - введення в гравітаційне поле додаткового елемента TeVeS (тензор-вектор-скаляр), релятивістського аналога MOND.

У 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.

Подібний підхід також пояснює криві обертання галактик, роблячи силу тяжіння на їхніх околицях узгодженою з даними спостереження.

Але TeVeS збільшує гравітацію за рахунок "скалярних" і "векторних" полів, що проблематично для астрономічного погляду на світ. Скалярне поле подібне до температури в атмосфері: у кожній точці воно має числове значення, але не має жодного напрямку. Векторне поле, навпаки, схоже на вітер: воно має як значення (швидкість вітру), так і напрямок.

Є й так звані теорії Галілеона - частина класу теорій, які намагаються модифікувати загальну теорію відносності за допомогою того ж скалярного поля. Багато з цих теорій (теорія Бранса-Дікке, теорії хамелеонів і квінтесенції) надають досить різні математичні моделі з неоднозначним прогностичним потенціалом.

Існують також автономні теорії, такі, як теорія Еріка Верлінде. Згідно з його версією, закони гравітації природним чином виникають із законів термодинаміки, так само як хвилі, що виходять із молекул води в океані.

Пізніше Верлінде писав, що його ідеї не є "альтернативною теорією" гравітації, а являють собою "наступну теорію гравітації, яка містить і перевершує загальну відносність Ейнштейна".

Водночас до Верлінде є претензії: "У мене склалося враження, що теорія досі недостатньо розроблена, щоб проводити точні випробування, - впевнена представниця академічної астрономії, яка "сумнівається" в академічній астрономії, Енн Арчибальд.

Певною мірою подібної думки і у Зумалакрарегі: "Вона (теорія Верлінде - Alter Science) побудована на "чудернацьких словах", - упевнений учений, - але немає математичної основи для розрахунку прогнозів і проведення достовірних тестів".

У будь-якому разі прогнози, які робляться іншими теоріями, відрізняються від прогнозів загальної теорії відносності. Але ці відмінності можуть бути мінімальними, що ускладнює виявлення даних, які підтверджують обчислення.

Розглянемо злиття нейтронних зірок. Коли гравітаційно-хвильова обсерваторія LIGO зафіксувала гравітаційні хвилі, що виходили в результаті цієї події, космічний супутник Фермі підтвердив гамма-сплеск з того ж місця.

Два сигнали пройшли через всесвіт протягом 130 мільйонів років, перш ніж досягти Землі всього на 1,7 секунди. Ці майже одночасні спостереження "жорстоко і безжально вбили" теорію TeVeS, впевнений Пауло Фрайр, астрофізик в Інституті радіоастрономії ім. Макса Планка в Бонні. Макса Планка в Бонні, Німеччина.

"Гравітація і гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю світла з надзвичайно високою точністю, що зовсім не те, що було передбачено цими [альтернативними] теоріями".

Та 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.

(На Землі більш відомий принцип слабкої еквівалентності: якщо ми ігноруємо опір повітря, перо і цегла падатимуть з однаковою швидкістю). Потрійна система дає змогу перевірити, чи точно пульсар і внутрішній білий карлик потрапляють в гравітаційне поле зовнішнього білого карликаі.

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.

За останні п'ять років Арчибальд та її команда зафіксували 27 000 вимірювань положення пульсара, оскільки він обертається навколо двох інших зірок. Поки проєкт все ще триває, але схоже, результати будуть узгоджені з положеннями теорії Ейнштейна, впевнена Арчибальд.

"Можна сказати, що ступінь, у якій пульсар поводиться ненормально, становить не більше кількох часток від мільйона. Для об'єкта з такою сильною гравітацією зафіксовані дані добре узгоджуються з передбаченнями Ейнштейна, і якщо є одне з цих скалярних полів, воно повинно мати крихітний ефект".

Тест, який має бути представлений найближчим часом, покаже найкращі обмеження для цілої групи альтернативних гравітаційних теорій, - додала вона.

Якщо теорія працює тільки з деяким додатковим скалярним полем, то таке поле має змінювати поведінку пульсара. Питання лише у фіксації "аномалій", що є методологічно скрутним: а що в цьому випадку може вважатися "аномалією"?

Дані з іншої пульсарної системи, також імовірно виключають теорію TeVeS. Виявлений у 2003 році, подвійний пульсар був донедавна єдиною бінарною системою нейтронних зірок, у якій обидві нейтронні зірки виявилися пульсарами.

Фрайр і його колеги вже підтвердили, що поведінка подвійного пульсара повністю відповідає загальній теорії відносності. Прямо перед жовтневою заявою LIGO про злиття нейтронних зірок дослідники збиралися опублікувати статтю, яка "вб'є" TeVeS. Але LIGO зробив за них усю роботу, стверджує Фрайр.

"Нам не потрібно більше за це переживати", - підкреслив учений.

Ковзання тих, хто вижив

Кілька гравітаційних теорій пережили удар LIGO і, ймовірно, вони виживуть після отримання даних пульсара, - каже Зумалакрарегу.

Є теорія Хорндескі, яка не передбачає зміни швидкості гравітаційних хвиль. Є так звані теорії масивної гравітації. Зазвичай фізики припускають, що частинка, пов'язана із силою тяжіння - гравітон - не має маси. У цих теоріях гравітон має дуже малу, але ненульову масу. Злиття нейтронних зірок ставить жорсткі обмеження на ці теорії, каже Зумалакрарегу, оскільки масивний гравітон рухатиметься повільніше, ніж світло.

Але в деяких теоріях його маса вважається меншою, принаймні на 20 порядків нижчою за масу нейтрино, а це означає, що гравітон рухається майже зі швидкістю світла. Є ще кілька менш відомих концепцій, що вижили, і деякі з них важливі для вивчення, впевнена Арчибальд, поки "темна матерія" і "темна енергія" залишаються невловимими.

"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, і взагалі вона не має жодного стосунку до гравітації", - додає вона.

Проте 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.

"99,9% випадків ви виключаєте з гіпотези; за рахунок 0,1 відсотка ви виграєте Нобелівську премію".

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.