Радикальное исследование НАСА говорит, что это строение космического корабля может раскрыть новую физику

 Это захватывающее время для астрономии, астрофизики и космологии. Благодаря передовым обсерваториям, инструментам и новым методам ученые приближаются к экспериментальной проверке теорий, которые остаются в значительной степени непроверенными.

Иллюстрация миссии НАСА «Магнитосферный многомасштабный», демонстрирующая космический корабль, летящий в аналогичном тетраэдрическом образовании. (Фото: sciencealert.com)

Эти теории затрагивают некоторые из наиболее актуальных вопросов, которые возникают у ученых о Вселенной и физических законах, управляющих ею, таких как природа гравитации, Темная материя и Темная энергия. На протяжении десятилетий ученые постулировали, что либо существует дополнительная физика, либо наша преобладающая космологическая модель нуждается в пересмотре.

Хотя исследование существования и природы Темной Материи и Темной Энергии продолжается, предпринимаются также попытки разгадать эти загадки с помощью возможного существования новой физики.

В недавней статье группа исследователей НАСА предложила, как космические корабли могли бы искать доказательства существования дополнительной физики в нашей Солнечной системе. Они утверждают, что этому поиску будут способствовать космические корабли, летающие в тетраэдрической формации и использующие интерферометры. Такая миссия могла бы помочь разрешить космологическую загадку, которая ускользала от ученых более полувека.

Это предложение является работой Славы Турышева, адъюнкт-профессора физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и научного сотрудника Лаборатории реактивного движения НАСА.

К нему присоединились Шэн-Вей Чиоу, физик-экспериментатор из Лаборатории реактивного движения НАСА, и Нань Ю, адъюнкт-профессор Университета Южной Каролины и старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА. Их исследовательская работа недавно появилась в Интернете и была принята к публикации в журнале Physical Review D.

Опыт Турышева включает работу в научной группе миссии Лаборатории гравитационного восстановления и внутренних дел (GRAIL). В предыдущей работе Турышев и его коллеги исследовали, как полет к солнечной гравитационной линзе (SGL) может произвести революцию в астрономии.

Концептуальный документ получил грант III фазы в 2020 году в рамках программы НАСА «Инновационные передовые концепции» (NIAC). В предыдущем исследовании он и астроном SETI Клаудио Макконе также рассмотрели, как развитые цивилизации могут использовать SGL для передачи энергии из одной солнечной системы в другую.

Подводя итог, гравитационное линзирование — это явление, при котором гравитационные поля изменяют кривизну пространства-времени поблизости. Этот эффект был первоначально предсказан Эйнштейном в 1916 году и использован Артуром Эддингтоном в 1919 году для подтверждения его общей теории относительности (ОТО).

На этом эскизе показаны пути света от далекой галактики, гравитационно линзированные скоплением на переднем плане. (Фото: sciencealert.com)

Однако между 1960-ми и 1990-ми годами наблюдения за кривыми вращения галактик и расширением Вселенной породили новые теории относительно природы гравитации в более крупных космических масштабах. С одной стороны, ученые постулировали существование Темной Материи и Темной Энергии, чтобы согласовать свои наблюдения с ОТО.

С другой стороны, ученые выдвинули альтернативные теории гравитации (такие как модифицированная ньютоновская динамика (МОНД), модифицированная гравитация (МОГ) и т. д.). Между тем, другие предполагают, что в космосе может существовать дополнительная физика, о которой мы пока не знаем. Как рассказал Турышев Universe Today по электронной почте:

«Мы стремимся исследовать вопросы, связанные с тайнами темной энергии и темной материи. Несмотря на их открытие в прошлом веке, их основные причины остаются неуловимыми. лаборатории или ускорители частиц — вполне возможно, что эта новая сила может проявиться в масштабах Солнечной системы».

В своем последнем исследовании Турышев и его коллеги изучали, как серия космических кораблей, летающих в тетраэдрической формации, может исследовать гравитационное поле Солнца.

Эти исследования, по словам Турышева, будут направлены на поиск отклонений от предсказаний общей теории относительности в масштабах Солнечной системы, что на сегодняшний день невозможно:

«Предполагается, что эти отклонения проявляются в виде ненулевых элементов в тензоре гравитационного градиента (GGT), что фундаментально похоже на решение уравнения Пуассона.

Из-за их незначительной природы обнаружение этих отклонений требует точности, намного превосходящей нынешние возможности — как минимум на пять порядков. При таком повышенном уровне точности многочисленные хорошо известные эффекты будут вносить значительный шум.

Стратегия предполагает проведение дифференциальных измерений, чтобы свести на нет влияние известных сил, тем самым выявляя тонкие, но ненулевые вклады в GGT».

Миссия, по словам Турышева, будет использовать методы локальных измерений, основанные на ряде интерферометров. Это включает в себя интерферометрическую лазерную локацию, метод, продемонстрированный миссией продолжения гравитационного эксперимента и климатического эксперимента (GRACE-FO), парой космических аппаратов, которая использует лазерную дальнометрию для отслеживания океанов, ледников, рек и поверхностных вод Земли.

Тот же метод будет также использоваться для исследования гравитационных волн с помощью предлагаемой космической антенны лазерной интерферометрии (LISA).

Космический корабль также будет оснащен атомными интерферометрами, которые используют волновой характер атомов для измерения разницы фаз между волнами атомной материи на разных путях. Эта методика позволит космическому кораблю обнаружить наличие негравитационных шумов (работы двигателей, давления солнечного излучения, сил тепловой отдачи и т. д.) и в необходимой степени нейтрализовать их.

Между тем, полет в тетраэдрической формации оптимизирует способность космических кораблей сравнивать измерения.

«Лазерная локация предоставит нам очень точные данные о расстояниях и относительных скоростях между космическими кораблями», — сказал Турышев.

«Кроме того, его исключительная точность позволит нам измерить вращение тетраэдрического образования относительно инерциальной системы отсчета (с помощью наблюдаемых Саньяка), а это задача, недостижимая другими способами. Следовательно, это позволит установить тетраэдрическое образование, используя набор локальных измерения».

В конечном счете, эта миссия проверит GR в наименьших масштабах, чего на сегодняшний день катастрофически не хватает. Хотя ученые продолжают исследовать влияние гравитационных полей на пространство-время, они в основном ограничиваются использованием галактик и скоплений галактик в качестве линз.

Другие примеры включают наблюдения за компактными объектами (например, белыми карликами) и сверхмассивными черными дырами (СМЧД), такими как Стрелец А*, которые находятся в центре Млечного Пути.

«Мы стремимся повысить точность проверки ОТО и альтернативных теорий гравитации более чем на пять порядков.

Помимо этой основной цели, наша миссия имеет дополнительные научные цели, о которых мы подробно расскажем в нашей следующей статье. К ним относятся проверка ОТО и других гравитационных теорий, обнаружение гравитационных волн в диапазоне микрогерц — спектра, недосягаемого существующими или предполагаемыми инструментами — и исследование аспектов Солнечной системы, таких как гипотетическая Планета 9, а также другие усилия».

Источник