Нейтронные звезды могут быть лучшим способом измерения темной энергии

Темная энергия занимает центральное место в нашей современной теории космологии.

Мы знаем, что Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью, и самое ясное объяснение состоит в том, что ею движет какая-то энергия.

Поскольку эта энергия не излучает свет, мы называем ее темной энергией. Но простое название темной энергии не означает, что мы полностью ее понимаем.

Мы можем видеть, что делает темная энергия, но ее фундаментальная природа, пожалуй, самая большая научная загадка, которая у нас есть.

Самая популярная идея темной энергии состоит в том, что она является аспектом самого пространства-времени.

В общую теорию относительности Эйнштейна можно включить термин, известный как космологическая постоянная.

Хотя Вселенная могла бы расширяться без космологической постоянной, ей нужна постоянная, чтобы это расширение ускорялось по мере того, как мы наблюдаем. То есть в рамках общей теории относительности.

Но хотя космологическая постоянная действительно хорошо соответствует наблюдениям, эта идея не лишена проблем.

Одна проблема, которая продолжает проявляться в данных, заключается в том, что мы не можем точно определить ее значение. Когда мы пытаемся измерить константу разными методами, мы получаем немного разные значения.

Когда-то неопределенность этих значений была достаточно велика, чтобы мы могли не заметить эту проблему, но наши наблюдения стали достаточно точными, и стало ясно, что они не складываются.

Либо в наших наблюдениях есть какая-то систематическая ошибка, которую мы не выявили, либо космологическая постоянная не совсем работает. Если это так, то общая теория относительности не совсем верна.

Так какая альтернатива?

Одна из самых популярных из них известна как теория Бранса-Дикке, или теория Джордана-Бранса-Дикке, или теория Фирца-Джордана-Бранса-Дикке, в зависимости от того, скольким людям вы хотите приписать эту идею.

Эта теория очень похожа на модель Эйнштейна в том, что в обеих моделях пространство-время и материя подчиняются специальной теории относительности, пространство-время описывается тензорным полем, известным как метрика, и действует принцип эквивалентности.

По сути, любое решение общей теории относительности также является решением Бранса-Дикке.

Теория Жордана-Бранса-Дикке была предложена отчасти для того, чтобы привести общую теорию относительности в лучшее соответствие с принципом Маха.

Таким образом, в то время как модель Эйнштейна полностью описывает гравитацию с помощью пространственно-временной метрики, Джордан-Бранс-Дикке добавляет к этой смеси скалярное поле. Тогда эффекты гравитации вызываются как скалярным полем, так и тензорной метрикой, поэтому ее иногда называют скалярно-тензорной моделью.

Поскольку эта скалярно-тензорная модель в некотором роде является обобщением модели Эйнштейна, вы можете использовать любую модель для правильного описания наблюдаемой Вселенной.

Конечно, если вам не нужно дополнительное скалярное поле для описания гравитации, зачем его изобретать? Отсюда и причина, по которой теория Джордана-Бранса-Дикке не очень популярна.

Это если вам не нужна альтернатива космологической постоянной. С дополнительным скалярным полем вы внезапно получаете степень свободы, которая может объяснить темную энергию.

Настройте свое скалярное поле правильным образом, и вы сможете сопоставить наши наблюдения темной энергии.

И поскольку это поле, а не константа, темная энергия может изменяться как в пространстве, так и во времени, что объясняет, почему мы не можем свести ее к простой константе.

Это интересная идея, но она будет широко принята только в том случае, если вы сможете найти эксперимент, доказывающий, что Эйнштейн ошибается, а Джордан-Бранс-Дикке прав.

Удачи с этим, учитывая, насколько похожи две модели. Но теперь недавнее исследование показывает, как можно проверить теорию Джордана-Бранса-Дикке, и она включает в себя столкновение нейтронных звезд.

Моделировать столкновения нейтронных звезд сложно. Общая теория относительности — это сложная математическая теория, поэтому для моделирования столкновений требуется огромная вычислительная мощность.

Теория Джордана-Бранса-Дикке еще более сложна, что значительно усложняет моделирование столкновений. Но команда смогла создать работающую симуляцию.

Сравнив столкновения нейтронных звезд в теории Джордана-Бранса-Дикке с общей теорией относительности, они обнаружили, что существуют ключевые различия в сигналах гравитационных волн.

Эти различия слишком малы, чтобы их можно было наблюдать с помощью современных гравитационно-волновых телескопов, но обсерватории следующего поколения должны быть в состоянии различать модели.

В нынешнем виде и общая теория относительности, и теория Джордана-Бранса-Дикке одинаково хорошо соответствуют нашим наблюдениям.

Основная причина, по которой общая теория относительности более популярна, заключается в том, что она проще и в некотором смысле элегантнее. Но простота и элегантность не всегда делают модель правильной.

В конце время и пространство рассудят.

Автор Брайан Коберлейн.

Источник: Вселенная сегодня.