Гравитационные волны — крошечная рябь в ткани пространства-времени — с момента первого прямого обнаружения в 2015 году стали одним из главных инструментов современной астрономии.
Для волн от слияний черных дыр или нейтронных звезд все относительно просто: они распространяются через почти пустое, «тихое» пространство, и можно четко разделить фон и саму волну. Детектор измеряет очень малое растяжение и сжатие пространства, и эта величина определяется однозначно.
Но в космологии задача сложнее. Здесь нас интересует уже не локальное событие, а вся Вселенная целиком — само пространство-время плюс все его «обитатели»: звезды, галактики, черные дыры. На больших масштабах фон не «тихий»: всюду есть небольшие флуктуации плотности и скорости вещества, которые постоянно чуть-чуть «встряхивают» пространство-время. Граница между фоном и волной размывается: что считать собственно гравитационной волной, а что — просто общими колебаниями космической среды?
Из-за этого теоретические предсказания для космологических гравитационных волн долгое время зависели от выбора системы координат — то есть от того, как именно математически описано пространство-время. А это проблема: реальный прибор никаких координат «не знает», он регистрирует только физически измеряемые величины. Значит, правильная теория должна быть независима от произвольного выбора координат.
Команда доктора Гильема Доменека из Института теоретической физики Университета Лейбница в Ганновере предложила новый, строго «детекторный» подход. Вместо работы с абстрактными компонентами поля ученые моделируют реальный эксперимент с двумя свободно падающими пробными массами или атомными часами, связанными световым лучом. Проходящая гравитационная волна чуть‑чуть меняет время пробега света между ними, а, значит, и разницу частот или моментов прихода сигнала, которые и фиксирует детектор.
Авторы полностью выводят эту наблюдаемую величину в расширяющемся космическом пространстве, причем координатно‑независимым образом и с учетом эффектов второго порядка по космологическим флуктуациям.
«Детекторы гравитационных волн измеряют разности частот и времен прихода световых лучей, — объясняет Доменек. — Мы точно рассчитываем эти величины в расширяющемся пространстве-времени и аккуратно отделяем то, что действительно измеримо, от эффектов, зависящих только от математического описания. Это делает теоретические предсказания для будущих экспериментов строгими и надежными».
В «пределе тихого пространства» новая формулировка сводится к привычным выражениям, которыми пользуются наземные лазерные интерферометры вроде LIGO и Virgo. Но в подлинно космологическом контексте она остается однозначной и устойчива к произвольному выбору координат. Это обеспечивает общий язык для теоретиков и экспериментаторов и формирует надежный каркас для поиска первичных гравитационных волн ранней Вселенной — в том числе в данных массивов пульсарного тайминга и будущей космической обсерватории LISA.
