Симметрию Вселенной проверили с помощью гравитационных волн

Современная космология лежит «на плечах» фундаментального космологического принципа, который гласит, что на очень больших расстояниях Вселенная однородна и изотропна. Это означает, что для всех наблюдателей, вне зависимости от их местоположения, космос будет выглядеть одинаково во всех направлениях. Впрочем, авторы ряда астрономических открытий ставят это под сомнение.

Следствием такого положения вещей стала гипотеза зеркальной симметрии (или зеркальной инвариантности), предполагающей, что происходящие во Вселенной процессы и законы не изменятся, даже если отразить их как в зеркале. Хотя гипотеза влечет за собой интересные теоретические перспективы, уверенного подтверждения она не нашла. 

Чтобы проверить, сохраняет ли Вселенная зеркальную симметрию в самых масштабных процессах, международная исследовательская группа под руководством Хуана Кальдерона Бустийо (Juan Calderón Bustillo) из Галисийского института физики высоких энергий (Испания) обратилась к гравитационным волнам — колебаниям гравитационного поля, которые распространяются подобно волнам, удаляясь от массивных объектов со скоростью света. 

Рождается эта «рябь» пространства-времени в результате движений одного тела в гравиполе другого. Наиболее сильные волны порождают слияния черных дыр или нейтронных звезд. Напомним, об обнаружении гравитационных волн в 2016 году сообщили в коллаборации LIGO и Virgo. Открытие подтвердило одно из ключевых предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна и привело к созданию гравитационно-волновой астрономии.

Теперь, изучив 47 столкновений черных дыр, зафиксированных гравитационными обсерваториями LIGO и Virgo, ученые вычислили, как волны «закручиваются» на подходе к детекторам и могут ли выступать аналогом вращения по часовой стрелке (или против).

Результаты исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, показали, что в целом никакого глобального нарушения симметрии не прослеживается, однако отдельные примеры явно указывают на «лево»- или «право»-ориентированные события (поляризацию).

Оказалось, среднее значение поляризации гравитационных волн (направление и форма колебаний пространства-времени при прохождении волны) действительно очень близко к нулю. Таким образом, исследователи заключили, что никакого явного перекоса в «левую» или «правую» сторону на глобальном уровне не происходит, а значит, в целом зеркальная симметрия Вселенной сохраняется.

Сильнее всего ученых удивил тот факт, что более 80 процентов проанализированных ими событий (то есть конкретных пар сливающихся черных дыр) проявили собственную «зеркальную асимметрию». Поясним: когда речь идет об одном конкретном слиянии, шансы «зафиксировать» вращение в одну сторону велики. Однако в реальности разные направления вращения встречаются в равном количестве, компенсируя друг друга, то есть в сумме эта асимметрия нивелируется. 

Исследователи отметили, что если бы все гравитационные волны, возникающие в результате экстремальных космических событий, были направлены в одну сторону, то во Вселенной наблюдалась бы глобальная зеркальная асимметрия.

«Наша работа показывает, что хотя один конкретный источник (GW200129) действительно нарушил зеркальную симметрию, в среднем по выборке ее нет. Это согласуется с космологическим принципом, но одновременно указывает на интересные эффекты у отдельных слияний», — объяснил Бустийо.

Хотя такие «однонаправленные» слияния черных дыр действительно существуют, их количество во Вселенной незначительно. Ученые также отметили, что время для окончательных выводов пока не пришло, а проверить, не скрывается ли за случайным распределением глобальное нарушение зеркальной симметрии (или же Вселенная в целом остается нейтральной), позволят дальнейшие исследования.