Це захоплюючий час для астрономії, астрофізики та космології. Завдяки найсучаснішим обсерваторіям, інструментам та новим методам вчені наближаються до експериментальної перевірки теорій, які досі не були перевірені.
Ці теорії дають відповіді на деякі з найактуальніших питань про всесвіт і фізичні закони, які ним керують, такі як природа гравітації, темної матерії та темної енергії. Десятиліттями вчені постулювали, що або існує додаткова фізика, або що наша домінуюча космологічна модель потребує перегляду.
Поки триває дослідження існування та природи темної матерії і темної енергії, робляться також спроби вирішити ці загадки за допомогою можливого існування нової фізики.
У нещодавній статті команда дослідників NASA запропонувала, як космічні апарати можуть шукати докази існування додаткової фізики в межах нашої Сонячної системи. Вони стверджують, що цей пошук можна було б здійснити за допомогою космічного апарату, що летить у тетраедричній формації і використовує інтерферометри. Така місія могла б допомогти вирішити космологічну загадку, яка вислизає від науковців вже понад півстоліття.
Пропозиція належить Славі Туришеву, ад’юнкт-професору фізики та астрономії Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) і науковому співробітнику Лабораторії реактивного руху НАСА.
До нього приєдналися Шенг-Вей Чіоу (Sheng-wey Chiow), фізик-експериментатор Лабораторії реактивного руху NASA, і Нан Ю (Nan Yu), ад’юнкт-професор Університету Південної Кароліни і старший науковий співробітник NASA JPL. Їх дослідницька робота нещодавно з’явилася в Інтернеті і була прийнята до публікації в журналі Physical Review D.
Досвід Туришева включає роботу в науковій команді місії Gravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL). У своїх попередніх роботах Туришев та його колеги досліджували, як місія до сонячної гравітаційної лінзи (SGL) може зробити революцію в астрономії.
Концептуальний документ був нагороджений грантом III фази у 2020 році в рамках програми NASA “Інноваційні передові концепції” (NIAC). У попередньому дослідженні він та астроном SETI Клаудіо Макконе також розглядали, як розвинені цивілізації могли б використовувати SGL для передачі енергії з однієї сонячної системи в іншу.
Підсумовуючи, гравітаційне лінзування – це явище, коли гравітаційні поля змінюють кривизну простору-часу в своєму оточенні. Цей ефект був передбачений Ейнштейном у 1916 році і використаний Артуром Еддінгтоном у 1919 році для підтвердження його Загальної теорії відносності (ЗТВ).
Однак у період між 1960-ми і 1990-ми роками спостереження за кривими обертання галактик і розширенням Всесвіту породили нові теорії щодо природи гравітації у великих космічних масштабах. З одного боку, вчені постулювали існування темної матерії і темної енергії, щоб узгодити свої спостереження з ЗТВ.
З іншого боку, вчені висунули альтернативні теорії гравітації (такі як модифікована ньютонівська динаміка (MOND), модифікована гравітація (MOG) тощо). Тим часом інші припускають, що в космосі може існувати додаткова фізика, про яку ми ще не знаємо. Про це Туришев повідомив Universe Today електронною поштою:
“Ми прагнемо дослідити питання, пов’язані з таємницями темної енергії і темної матерії. Незважаючи на їх відкриття в минулому столітті, їх основні причини залишаються невловимими. Якщо ці “аномалії” пов’язані з новою фізикою – явищами, які ще не спостерігаються в наземних лабораторіях або прискорювачах частинок – можливо, що ця нова сила може проявитися в масштабах Сонячної системи”.
У своєму останньому дослідженні Туришев та його колеги вивчали, як серія космічних апаратів, що летять у тетраедричній формації, може досліджувати гравітаційне поле Сонця.
Ці дослідження, за словами Туришева, дозволять знайти відхилення від передбачень загальної теорії відносності в масштабах Сонячної системи, чого досі не вдавалося зробити:
“Ці відхилення, за гіпотезою, проявляються у вигляді ненульових елементів тензора градієнта гравітації (GGT), що за своєю суттю нагадує розв’язок рівняння Пуассона.
Через їхню мізерну природу виявлення цих відхилень вимагає точності, що значно перевершує сучасні можливості – щонайменше на п’ять порядків. При такому підвищеному рівні точності численні відомі ефекти будуть вносити значний шум.
Стратегія передбачає проведення диференціальних вимірювань, щоб звести нанівець вплив відомих сил і таким чином виявити тонкі, але ненульові внески в GGT”.
За словами Туришева, місія використовуватиме місцеві методи вимірювання, які покладаються на серію інтерферометрів. Сюди входить інтерферометричне лазерне визначення дальності, метод, продемонстрований місією Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) – парою космічних апаратів, які покладаються на лазерне визначення дальності для відстеження океанів, льодовиків, річок і поверхневих вод Землі.
Ця ж методика буде використана для дослідження гравітаційних хвиль за допомогою запропонованої космічної антени лазерної інтерферометрії (LISA).
Космічний апарат також буде оснащений атомними інтерферометрами, які використовують хвильовий характер атомів для вимірювання різниці фаз між хвилями атомної матерії вздовж різних шляхів. Ця методика дозволить космічному апарату виявляти наявність негравітаційних шумів (активність двигунів, тиск сонячного випромінювання, сили теплової віддачі тощо) і нейтралізувати їх до необхідного ступеня.
Водночас політ у тетраедричній формації оптимізує можливості космічних апаратів для порівняння вимірювань.
“Лазерна дальнометрія дасть нам високоточні дані про відстані та відносні швидкості між космічними апаратами”, – зазначив пан Туришев.
“Крім того, його виняткова точність дозволить нам виміряти обертання тетраедричної формації відносно інерціальної системи відліку (за допомогою спостережень Sagnac), що є недосяжним завданням для будь-якого іншого способу. Отже, це дозволить встановити тетраедричну формацію, використовуючи набір локальних вимірювань”.
Зрештою, ця місія перевірить теорію гравітації на найменших масштабах, чого досі катастрофічно не вистачало. Хоча вчені продовжують досліджувати вплив гравітаційних полів на простір-час, вони здебільшого обмежуються використанням галактик і скупчень галактик як лінз.
Інші приклади включають спостереження за компактними об’єктами (такими як білі карликові зорі) та надмасивними чорними дірами (НМЧД), такими як Стрілець А*, що знаходиться в центрі Чумацького Шляху.
“Ми прагнемо підвищити точність тестування ЗТВ та альтернативних гравітаційних теорій більш ніж на п’ять порядків.
Крім цієї основної мети, наша місія має додаткові наукові цілі, які ми детально опишемо в наступній статті. Серед них – тестування ЗТВ та інших гравітаційних теорій, виявлення гравітаційних хвиль у мікрогерцовому діапазоні – діапазоні, недосяжному для існуючих або передбачуваних інструментів – і дослідження аспектів Сонячної системи, таких як гіпотетична Планета 9, серед інших завдань”.
