Регистрация гравитационных волн дает шанс обнаружить космические струны и открыть путь к новой физике.

С обнаруженными в феврале этого года гравитационными волнами физики связывают большие надежды: появился еще один инструмент наблюдения за некоторыми процессами, происходящими во Вселенной. В качестве объектов будущей гравитационной астрономии традиционно называют слияние нейтронных звезд и черных дыр, взрывы сверхновых и тому подобное.

Модель космических струн. (B. Allen & E. P. Shellard)

Два физика из университета Барселоны (один из них выпускник МФТИ Олег Булашенко) предложили с помощью гравитационных волн попробовать обнаружить космические струны. Открытие этих экзотических объектов не просто бы подтвердило справедливость теории струн, претендующей на роль «теории всего», но и ознаменовало бы новый этап в развитии физики, поскольку изменило бы наше представление об устройстве микро и макромира. Статью, посвященную этому вопросу, авторы вложили на сайте Arxiv.org.

Упрощенно говоря, в теории струн все элементарные частицы можно представить в виде микроскопических многомерных струн, в которых возникают различные колебания. Таких объектов в общепринятой современной теории микромира (Стандартной модели) нет. Эта гипотеза обещает обеспечить единый подход к объяснению устройства природы и претендует на роль «теории всего». Однако, в настоящее время ее предсказания невозможно проверить экспериментально. Несколько иначе дело обстоит в космологии.

Родившись в самом начале возникновения Вселенной, когда еще не разделились четыре фундаментальных взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), некоторые струны в ходе расширения Вселенной могли превратиться в удивительные образования – так называемые космические струны. Они представляют собой чрезвычайно тонкие и длинные «веревки», диаметр которых в миллиарды миллиардов раз меньше атомного ядра (порядка 10^-28 см). а длина составляет десятки, сотни и более килопарсек (1 парсек = 3,26 светового года). Очень велика и плотность такой струны. Один ее сантиметр должен иметь массу порядка 10²⁰ грамм, другими словами, тысяча километров струны будет весить столько же, сколько Земля.

Благодаря огромной плотности космическая струна способна искривлять пространство, образуя тонкую и длинную «складку» пространства-времени. Проходя через нее, гравитационная волна будет рассеиваться, аналогично свету, падающему на тонкую проволоку. Это означает, что физики могут использовать для анализа получающейся картины методы классической оптики. 

Гравитационная волна обогнет космическую струну с обеих сторон, и обе ее половинки, отклонившись навстречу друг другу, будут взаимодействовать (складываться), образуя характерную картину интенсивности. В оптике это называют дифракцией и интерференцией волн. Исследователи рассчитали основные параметры такой картины, что позволит в будущем получать информацию о струнах, сравнивая результаты наблюдений с моделью.

В настоящее время на пути практического применения этой идеи стоят большие проблемы. Пока еще недостаточна точность приборов и методов измерений. Наблюдаемую картину образует сложная смесь рассеяний от большого количества струн, что затрудняет их идентификацию. На это накладывается очень короткая длительность гравитационного сигнала, не позволяющая изучить картину в течение длительного времени. Кроме того, должно повезти, чтобы сигнал пришел от струны, «правильно» расположенной по отношению к Земле и источнику гравитационных волн. 

Несмотря на все сложности, данная работа дает небольшую надежду на то, что у исследователей появился метод, способный обнаружить космические струны и пролить дополнительный свет на эволюцию Вселенной и строение микромира.