Двойные системы с отрицательной массой генерируют беспрецедентное гравитационное излучение, показывают исследования

Исследователи установили, что двойные системы, состоящие из объектов с отрицательной массой, будут производить сигналы гравитационного излучения с беспрецедентными характеристиками во Вселенной. Новое исследование, разработанное в сотрудничестве между исследовательскими институтами, предполагает, что обсерватории гравитационных волн могли бы обнаружить эти источники и установить строгие ограничения на существование отрицательной массы в природе.

Теория общей теории относительности, сформулированная Альбертом Эйнштейном, математически допускает существование объектов с отрицательной массой. Несмотря на эту теоретическую возможность, фундаментальный вопрос остается открытым: можно ли построить такие массы в реальности? Недавно опубликованная работа предлагает наблюдательную стратегию, позволяющую ответить на этот вопрос путем обнаружения конкретных закономерностей гравитационного излучения.

Три массовые категории определяют поведение объектов

Физика делит массу на три отдельные категории, которые определяют, как объекты взаимодействуют с гравитационными силами и полями. Инертная масса представляет собой сопротивление объекта ускорению, когда на него действует сила. Активная гравитационная масса описывает способность объекта генерировать гравитационное поле, которое воздействует на другие тела вокруг него. Пассивная гравитационная масса, в свою очередь, количественно определяет, как объект реагирует на гравитационное поле, создаваемое другими объектами в космосе.

Закон сохранения импульса требует, чтобы активная и пассивная гравитационные массы были идентичны. Если бы они различались, импульс, полученный одним объектом во время гравитационного взаимодействия, не был бы компенсирован импульсом, потерянным другим объектом, что нарушало бы фундаментальный принцип симметрии в законах физики. Это ограничение вытекает непосредственно из пространственной трансляционной инвариантности, то есть свойства того, что физические законы остаются неизменными, когда система меняет положение в пространстве.

Принцип эквивалентности связывает гравитационные и инерционные явления.

Принцип эквивалентности составляет основу общей теории относительности Эйнштейна. Он постулирует, что инерционная масса объекта равна его пассивной гравитационной массе. Это утверждение основано на многовековых экспериментальных наблюдениях, от работ Галилео Галилея до современных исследований, демонстрирующих, что объекты с разными массами ускоряются одинаково под действием гравитации, независимо от их состава или величины массы.

Когда исследователи обсуждают гипотетические объекты с отрицательной массой, они часто предполагают, что и сохранение импульса, и принцип эквивалентности остаются в силе. Это предположение подразумевает, что три формы массы будут одинаковыми и для отрицательных масс. Однако принцип эквивалентности был экспериментально подтвержден только для положительных масс. Для отрицательных масс эта симметрия может не сохраняться, что открывает новые физические сценарии.

Диполярное излучение возникает из систем с неравными гравитационными массами.

Недавно опубликованная статья, разработанная в сотрудничестве с известными исследователями, демонстрирует, что двойная система, содержащая два объекта с разными соотношениями гравитационной и инертной масс, будет излучать диполярное гравитационное излучение. Эта картина фундаментально отличается от квадрупольного гравитационного излучения, типа, наблюдаемого во всех обнаружениях, подтвержденных детекторами гравитационных волн LIGO, Virgo и KAGRA.

Физическая ситуация напоминает систему электрических зарядов противоположных знаков с положительными инерционными массами. На сегодняшний день обсерваториями не зарегистрировано никаких свидетельств существования диполярного гравитационного излучения. Пределы наблюдений, налагаемые этими инструментами на возможные выбросы диполярного излучения, чрезвычайно строги, что серьезно ограничивает свойства, которые могут проявлять такие системы.

Даже в сценарии, в котором Вселенная содержит только отрицательные массы, строго подчиняющиеся принципу эквивалентности, двойные системы, включающие эти массы, будут генерировать гравитационные волны, радикально отличающиеся от известных в настоящее время:

• Системы с отрицательной общей массой создают силы отталкивания между компонентами, что делает невозможным формирование стабильных и долговечных двойных орбит.
• Системы с полной положительной массой, где отрицательная масса меньше по величине, чем положительная масса, допускают круговые орбиты, но развиваются за счет расширения, а не сжатия, генерируя античиповые сигналы уменьшающейся частоты.
• Системы с нулевой полной массой соответствуют физически неуправляемым решениям, в которых пара ускоряется до скорости света, что исключает периодическое орбитальное движение.

Anti-chirp изменит известную сигнатуру слияний

Разница между поведением обычных двойных систем и систем, содержащих отрицательную массу, фундаментально заключается в энергетической эволюции орбиты. В обычной двойной системе с двумя положительными массами орбитальная энергия начинается с отрицательной и становится все более отрицательной по мере уменьшения расстояния. Когда система теряет энергию из-за излучения гравитационных волн, эта потеря приводит к спирали системы, постепенно и непрерывно увеличивая частоты.

И наоборот, в положительно-отрицательной системе с положительной общей массой орбитальная энергия начинается с положительных значений и уменьшается к нулю по мере увеличения расстояния. Те же самые потери энергии из-за излучения гравитационных волн затем приводят к тому, что система расширяется, а не сжимается. Эта характеристика будет создавать сигналы античипирования, в которых частота постепенно уменьшается, а не увеличивается, что представляет собой полную противоположность закономерности, наблюдаемой во всех источниках, обнаруженных на сегодняшний день консорциумом LIGO-Virgo-KAGRA.

Leia Tambem

Netflix представит пять проектов с 1 по 5 июня 2026 года.

Извержение вулкана Хунга Тонга в 2022 году очистило выброс метана в атмосферу

Стефен Карри занимает шестое место среди самых высокооплачиваемых спортсменов мира с доходом в 124,7 миллиона долларов.

Отсутствие античиповых сигналов в текущих каталогах гравитационных волн обеспечивает прямое наблюдательное ограничение на потенциальную популяцию двойных систем с отрицательной массой в наблюдаемой Вселенной, ограничивая их распространенность чрезвычайно низкими уровнями, если они вообще существуют.

Недавние открытия вновь вызвали вопросы об отрицательной численности массы.

В последние месяцы две научные публикации предположили возможное существование в космосе обильной популяции объектов с отрицательной массой. Эти предложения активизируют дискуссии, начавшиеся десятилетия назад. В 1957 году физик Герман Бонди опубликовал чрезвычайно важную работу, демонстрирующую, что Общая теория относительности строго допускает существование отрицательных масс с математической точки зрения.

Позже, в 2015 году, Роберт Форвард представил подробный анализ, показывающий, как отрицательные массы в принципе могут использоваться для двигательных систем без необходимости использования химического или обычного топлива. Несмотря на эти теоретические исследования, критический вопрос остается открытым: можно ли создать и поддерживать отрицательную массу в лаборатории или естественным образом существовать во Вселенной?

Существование отрицательной массы привело бы к глубоким и тревожным последствиям для фундаментальной физики. Такие объекты могут служить строительными блоками для машин времени, нарушая принцип причинности. Уже один этот вывод предполагает, что, если отрицательная масса существует, она должна быть ограничена пока неизвестными механизмами, которые сохраняют причинные структуры Вселенной.

Астрофизика гравитационных волн не выявила неожиданных источников

Последнее десятилетие наблюдений гравитационных волн, начавшееся с исторического открытия в 2015 году, привело к созданию надежного каталога событий. Однако все обнаруженные источники относятся к предсказанным категориям: слияния черных дыр и столкновения нейтронных звезд. На этом новом рубеже наблюдений не появилось никаких совершенно неожиданных источников.

Этот результат разительно контрастирует со всей историей астрономии. Всякий раз, когда астрономы создавали обсерватории в новых диапазонах электромагнитного спектра, они обнаруживали радикально неожиданные явления. Радиотелескопы обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение, сложные межзвездные молекулы и быстрые радиовсплески. Рентгеновские телескопы обнаружили аккрецирующиеся черные дыры, рентгеновское фоновое излучение и скопления галактик высокой энергии. Гамма-телескопы обнаружили гамма-всплески, гамма-пульсары и космическое гамма-фоновое излучение.

Отсутствие совершенно новых открытий в области гравитационных волн представляет собой заметный отход от этой научной традиции постоянного выявления неизвестных явлений с помощью новых возможностей наблюдения.

Системы с отрицательной массой как новая цель наблюдений

Недавно завершенная работа предлагает конкретное предложение: двойные системы, содержащие элементы с отрицательной массой, будут генерировать сигналы гравитационных волн со свойствами, радикально отличающимися от всего наблюдаемого. Эти системы представляют собой новые жизнеспособные цели для действующих и будущих обсерваторий гравитационных волн.

Последствия двоякие. Во-первых, такие обсерватории потенциально могли бы обнаружить эти источники, если бы во Вселенной действительно было много отрицательной массы. Во-вторых, не обнаруживая этих различных сигнатур, детекторы могут установить самые строгие когда-либо достигнутые наблюдательные ограничения на содержание отрицательной массы во всей космической структуре, радикально улучшая наше понимание фундаментального состава Вселенной.