По следам гравитационных волн: поиск экзотических сигналов в данных GPS

Автор: Денис Аветисян

Ученые использовали сеть атомных часов GPS для поиска следов экзотических полей, которые могли возникнуть при слиянии нейтронных звезд, зарегистрированном как гравитационная волна GW170817.

Основываясь на анализе гравитационных волн от слияния нейтронных звезд GW170817, исследование установило новые ограничения на энергию <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Lambda_{\alpha}</span> ультралегких скалярных полей, влияющих на вариации постоянной тонкой структуры, расширяя существующие границы, полученные из измерений звездной светимости и прецизионных тестов гравитации, и демонстрируя, что глобальные спутниковые сети атомных часов являются наиболее чувствительными инструментами для обнаружения релятивистских ультралегких скалярных транзиентов в данном энергетическом диапазоне, при условии задержки между гравитационным сигналом и электромагнитным импульсом около 15 000 секунд. — Основываясь на анализе гравитационных волн от слияния нейтронных звезд GW170817, исследование установило новые ограничения на энергию $\Lambda_{\alpha}$ ультралегких скалярных полей, влияющих на вариации постоянной тонкой структуры, расширяя существующие границы, полученные из измерений звездной светимости и прецизионных тестов гравитации, и демонстрируя, что глобальные спутниковые сети атомных часов являются наиболее чувствительными инструментами для обнаружения релятивистских ультралегких скалярных транзиентов в данном энергетическом диапазоне, при условии задержки между гравитационным сигналом и электромагнитным импульсом около 15 000 секунд.

Исследование не выявило признаков существования экзотических низкомассовых полей (ELF), но позволило установить новые ограничения на их возможные свойства.

Несмотря на успехи в гравитационно-волновой и электромагнитной астрономии, поиск новых физических явлений требует применения альтернативных методов наблюдения. В работе ‘GPS constellation search for exotic physics messengers coincident with the binary neutron star merger GW170817’ предпринята попытка использования сети атомных часов GPS для ретроспективного поиска экзотических низкомассовых полей (ELF), которые могли быть испущены при слиянии двойной нейтронной звезды. Анализ архивных данных не выявил статистически значимых сигналов, однако позволило установить новые ограничения на масштаб взаимодействия $\Lambda_\alpha$ для квадратичных связей, влияющих на постоянную тонкой структуры в диапазоне энергий $10^{-{18}}-10^{-{14}} \text{ эВ}$ . Способна ли развивающаяся сеть глобальных спутниковых часов стать полноценным инструментом для поиска новой физики, дополняющим традиционные методы астрономических наблюдений?

Точность времени: Платформа для фундаментальной физики

Изначально созданная для целей навигации, группировка спутников GPS представляет собой уникальную платформу для проверки фундаментальных принципов физики. Благодаря глобальному охвату и высокой точности определения местоположения, эта система позволяет проводить эксперименты, недоступные ранее. Вместо простого определения координат, данные GPS используются для поиска микроскопических отклонений от известных физических законов, таких как специальная и общая теория относительности. Точность синхронизации атомных часов, установленных на спутниках, позволяет обнаруживать чрезвычайно слабые эффекты, которые могли бы указывать на новую физику за пределами Стандартной модели. Таким образом, GPS выступает не только инструментом повседневной жизни, но и мощным средством для расширения границ нашего понимания Вселенной.

Высокостабильные атомные часы, установленные на спутниках системы GPS, обеспечивают беспрецедентную точность измерений времени и частоты, что открывает возможности для обнаружения крайне слабых эффектов, предсказываемых фундаментальной физикой. Эти часы, основанные на квантовых переходах в атомах цезия или рубидия, демонстрируют погрешность всего в несколько наносекунд в сутки. Такая точность позволяет регистрировать изменения во временных интервалах, вызванные, например, гравитационными полями или относительным движением, что критически важно для тестирования теории относительности и поиска отклонений от известных физических законов. Благодаря этой точности, система GPS фактически превращается в огромную сеть сенсоров, способную обнаруживать крайне слабые сигналы и предоставлять уникальные данные для исследований в области фундаментальной физики и метрологии.

Использование данных глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) предоставляет уникальную возможность для проверки фундаментальных принципов, таких как инвариантность Лоренца и позитивная инвариантность — краеугольных камней современной физики пространства-времени. Анализ колебаний частоты атомных часов, установленных на спутниках ГНСС, позволяет выявлять малейшие отклонения от предсказаний теории относительности, которые могли бы свидетельствовать о новой физике. Точность этих измерений, достигаемая благодаря стабильности атомных часов и обширному масштабу системы, позволяет устанавливать все более строгие ограничения на возможные нарушения этих инвариантностей, тем самым расширяя границы нашего понимания структуры пространства-времени и фундаментальных законов природы. Фактически, ГНСС выступает в роли гигантского интерферометра, способного регистрировать крайне слабые эффекты, которые не поддаются обнаружению другими методами.

Констелляция GPS, простирающаяся на впечатляющие 5 x 10⁴ километров, представляет собой уникальный инструмент для фундаментальных исследований. Благодаря своему огромному диаметру, она может рассматриваться как единый, составной квантовый сенсор. Этот подход позволяет ученым исследовать тонкие флуктуации пространства-времени и проверять предсказания квантовой механики в масштабах, недостижимых для традиционных лабораторных установок. Фактически, сеть спутников GPS функционирует как гигантский интерферометр, способный регистрировать крошечные изменения в распространении электромагнитных сигналов, что открывает новые возможности для поиска эффектов, связанных с гравитацией и квантовой теорией поля. Такая конфигурация позволяет существенно повысить точность измерений и выйти за пределы возможностей, предоставляемых отдельными атомными часами, делая GPS ценным ресурсом для передовых физических исследований.

Распространяющийся за гравитационной волной импульс экзотических низкомассивных полей (ELFs) со скоростью <span class="katex-eq" data-katex-display="false">v_g \lesssim c</span> проявляет характерный анти-чирп частоты из-за более быстрого распространения высокоэнергетических компонентов, что позволяет использовать созвездие GPS в качестве распределенного квантового сенсора. — Распространяющийся за гравитационной волной импульс экзотических низкомассивных полей (ELFs) со скоростью $v_g \lesssim c$ проявляет характерный анти-чирп частоты из-за более быстрого распространения высокоэнергетических компонентов, что позволяет использовать созвездие GPS в качестве распределенного квантового сенсора.

Охота за экзотическими полями малой массы

Гипотетические экзотические поля малой массы (ELF) могут взаимодействовать со стандартными частицами, что потенциально приводит к вариациям темпов хода часов в составе группировки GPS. Взаимодействие ELF с известными частицами может проявляться как изменения в локальных гравитационных полях, влияющие на частоту атомных часов, используемых в GPS-приёмниках и передатчиках. Эти изменения, хотя и чрезвычайно малы, могут быть обнаружены путем анализа данных о времени, регистрируемых GPS-спутниками, и могут проявляться в виде небольших, но измеримых отклонений от ожидаемых значений времени. Величину влияния ELF на частоту часов можно смоделировать как функцию от силы взаимодействия и плотности поля, что позволяет разработать алгоритмы для поиска сигналов ELF в данных GPS.

Согласно теоретическим предсказаниям, слияния двойных нейтронных звезд, такие как GW170817, являются потенциальными источниками излучения экзотических маломассивных полей (ELF). Эти события характеризуются значительными гравитационными возмущениями и выбросом энергии, которые, согласно моделям, могут генерировать ELF. Ключевым аспектом поиска является корреляция сигнала ELF с зарегистрированными гравитационными волнами от слияния, что позволяет отделить его от фонового шума и подтвердить его происхождение. Анализ данных о слияниях двойных нейтронных звезд, таких как GW170817, предоставляет возможность проверить предсказания о механизмах генерации ELF и оценить их вклад в общую энергию, высвобождаемую в процессе слияния.

Обнаружение экзотических низкомассовых полей (ELF) основывается на анализе тонких изменений частоты и временных задержек в данных GPS-часов. Эти поля, взаимодействуя с известными частицами, могут вызывать небольшие, но измеримые отклонения в показаниях часов, проявляющиеся как кратковременные изменения частоты — $\Delta f$ — и задержки во времени. Идентификация таких сигналов требует высокоточного анализа данных GPS, с акцентом на обнаружение слабых изменений, которые могут быть замаскированы шумом и другими погрешностями. Определение характеристик этих изменений, включая их амплитуду, длительность и временную эволюцию, позволяет выделить потенциальные сигналы ELF от фонового шума и подтвердить их происхождение.

Анализ данных GPS с временным разрешением в 1 секунду позволяет проводить поиск сигналов экзотических слабомассивных полей (ELF) в диапазоне частот до приблизительно 6 рад/с. Ограничение по времени разрешения напрямую влияет на минимальную регистрируемую частоту ELF, поскольку для обнаружения необходимо зафиксировать как минимум один полный цикл колебаний поля. Следовательно, частоты выше 6 рад/с требуют временного разрешения менее 1 секунды для достоверного детектирования, что выходит за рамки возможностей текущего анализа. Данный частотный диапазон является ключевым для поиска ELF, генерируемых астрофизическими событиями, такими как слияния нейтронных звезд.

Анализ стандартных отклонений <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\sigma_{w}</span> медианных псевдочастот GPS-сети за 16 и 17 августа 2017 года, включающий время регистрации гравитационно-волнового сигнала (черная вертикальная линия), не выявил структурных изменений, указывающих на наличие сигнала сверхнизких частот (ELF). — Анализ стандартных отклонений $\sigma_{w}$ медианных псевдочастот GPS-сети за 16 и 17 августа 2017 года, включающий время регистрации гравитационно-волнового сигнала (черная вертикальная линия), не выявил структурных изменений, указывающих на наличие сигнала сверхнизких частот (ELF).

Извлечение сигналов из шума

Данные о фазе несущей, полученные с использованием двухчастотных измерений фазы несущей, являются основой нашего анализа, обеспечивая информацию о времени с высоким разрешением. Измеряя разницу фаз между сигналами, передаваемыми на двух разных частотах, можно с высокой точностью определить время прохождения сигнала и, следовательно, позицию приемника. Разрешение, достигаемое при использовании данных о фазе несущей, существенно превосходит разрешение, доступное при использовании только кодовых измерений, что позволяет обнаруживать малые изменения во времени и, как следствие, выявлять слабые сигналы. Точность определения времени, достигаемая с помощью двухчастотных измерений, напрямую зависит от качества используемого оборудования и эффективности алгоритмов обработки сигналов.

Средняя псевдочастота сети, вычисляемая на основе данных от нескольких GPS-спутников, служит высокочувствительным инструментом для обнаружения взаимодействий с сигналами СНЧ (сверхнизких частот). Этот параметр, получаемый путем усреднения псевдочастотных измерений от различных спутников, позволяет уменьшить влияние случайных ошибок и шумов, усиливая сигналы, обусловленные внешними воздействиями, включая электромагнитные волны СНЧ. Чувствительность обусловлена тем, что даже небольшие изменения в распространении СНЧ-волн могут вызывать измеримые сдвиги в псевдочастоте GPS-сигналов, которые фиксируются и анализируются для выявления потенциальных взаимодействий.

Для обнаружения сигналов СНЧ (сверхнизких частот) в данных GPS используется метод сопоставления с шаблонами. Этот метод предполагает предварительное создание эталонных форм волн, соответствующих ожидаемым характеристикам СНЧ-сигналов. Далее, алгоритм сопоставления ищет в данных GPS участки, наиболее близкие к этим эталонным формам. Степень соответствия оценивается с помощью корреляционного анализа или других метрик, позволяющих выявить наличие слабовыраженных СНЧ-сигналов, замаскированных шумом и другими помехами. Эффективность метода напрямую зависит от точности предсказанных шаблонов и чувствительности алгоритма к малым отклонениям.

Стандартное отклонение данных псевдочастоты, представленное на Рисунке 5, оставалось сопоставимым в течение 15, 16 и 17 августа, что указывает на стабильную фоновую изменчивость. Данный факт подтверждает, что наблюдаемые колебания в данных не связаны с системными ошибками или значительными изменениями в оборудовании или условиях приема сигнала. Сохранение постоянного уровня стандартного отклонения в течение указанного периода времени служит базовым уровнем для выявления потенциальных аномалий, вызванных внешними факторами, такими как электромагнитные возмущения сверхнизкой частоты (ELF). Отсутствие заметных изменений в стандартном отклонении подтверждает надежность данных, используемых для дальнейшего анализа и поиска слабых сигналов.

Анализ стандартного отклонения <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\sigma_w</span> псевдочастоты медианных данных GPS-сети из атомов <span class="katex-eq" data-katex-display="false">^{87}\mathrm{Rb}</span> за 15-17 августа 2017 года выявил всплеск, соответствующий гравитационно-волновому сигналу, зарегистрированному в <span class="katex-eq" data-katex-display="false">45682~\mathrm{s}</span> 17 августа (GPST). — Анализ стандартного отклонения $\sigma_w$ псевдочастоты медианных данных GPS-сети из атомов $^{87}\mathrm{Rb}$ за 15-17 августа 2017 года выявил всплеск, соответствующий гравитационно-волновому сигналу, зарегистрированному в $45682~\mathrm{s}$ 17 августа (GPST).

Установление границ и перспективы на будущее

Несмотря на высокую чувствительность проведенного анализа, однозначного обнаружения сигналов чрезвычайно низкочастотных (ELF) волн на данный момент не зафиксировано. Это не означает отсутствие подобных волн, но указывает на то, что их взаимодействие с исследуемыми данными либо слишком слабо, либо выходит за рамки принятых моделей. Тщательное изучение шумов и систематических погрешностей позволило установить строгие верхние границы на силу потенциальных ELF-взаимодействий, что, в свою очередь, значительно сужает область параметров, в которой могут существовать ультралегкие скалярные поля. Полученные результаты служат важным шагом в понимании фундаментальных свойств гравитации и открывают новые возможности для будущих исследований в этой области, требуя разработки еще более чувствительных методов обнаружения и анализа данных.

Проведенный анализ позволил установить статистические верхние пределы для силы потенциальных взаимодействий чрезвычайно легких скалярных полей. Эти пределы расширяют границы измеримого и достигают нижней границы энергетического масштаба $Λα ≳ 3$ ТэВ. Данный результат превосходит существующие ограничения, полученные из наблюдений за излучением звезд и тестов гравитационных теорий, что свидетельствует о значительном прогрессе в исследовании фундаментальных физических явлений и открывает новые возможности для поиска следов экзотических частиц и сил, влияющих на гравитационные взаимодействия.

Полученные результаты значительно расширяют существующие ограничения на параметры ультралегких скалярных полей. Предыдущие исследования, основанные на анализе светимости звезд и проверке принципа эквивалентности, устанавливали определенные пределы для этих параметров. Однако, проведенный анализ данных позволил достичь более строгих ограничений, превосходящих предыдущие показатели. Это означает, что область возможных значений для массы и силы взаимодействия ультралегких скалярных полей существенно сузилась, что вносит вклад в более точное понимание фундаментальных физических процессов и открывает новые перспективы для поиска темной материи и проверки модифицированных теорий гравитации. $Λα ≳ 3 \text{ TeV}$ — эта граница, достигнутая в данном исследовании, представляет собой значительный шаг вперед в изучении этих явлений.

Исследование также посвящено изучению возможных нарушений принципа эквивалентности, фундаментального постулата общей теории относительности, с использованием данных глобальной системы позиционирования (GPS). Анализ сигналов GPS позволяет с высокой точностью измерять разницу в скорости падения объектов различного состава в гравитационном поле Земли. В рамках данной работы предпринята попытка обнаружить крошечные отклонения от предсказаний принципа эквивалентности, которые могли бы свидетельствовать о новых физических явлениях или модификациях теории гравитации. Хотя на данный момент отклонения не обнаружены, разработанные методы анализа данных GPS открывают принципиально новый путь для проверки фундаментальных законов физики и поиска следов темной материи или других экзотических частиц, взаимодействующих с гравитацией.

График показывает 95% доверительный интервал для отношения сигнал/шум <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\lambda^\\hat{\\lambda}</span> в зависимости от наблюдаемого отношения сигнал/шум <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\lambda^\\hat{\\lambda}\\_{\\mathrm{obs}}</span>, где <span class="katex-eq" data-katex-display="false">|h^|obs\\hat{h}|\\_{\\mathrm{obs}}</span> обозначает абсолютное значение амплитуды ELF с погрешностью <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\sigma^h\\hat{\\sigma}_{h}</span>. — График показывает 95% доверительный интервал для отношения сигнал/шум $\lambda^\\hat{\\lambda}$ в зависимости от наблюдаемого отношения сигнал/шум $\lambda^\\hat{\\lambda}\\_{\\mathrm{obs}}$ , где $|h^|obs\\hat{h}|\\_{\\mathrm{obs}}$ обозначает абсолютное значение амплитуды ELF с погрешностью $\sigma^h\\hat{\\sigma}_{h}$ .

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует, как мультиспектральные наблюдения, в частности, использование сети GPS-часов, позволяют калибровать модели аккреции и джетов, возникающих при слиянии нейтронных звезд. Несмотря на отсутствие обнаруженных сигналов экзотических низкомассовых полей (ELF), полученные ограничения на их существование представляют собой значительный шаг вперед в понимании фундаментальных взаимодействий. Как точно подметил Эрвин Шрёдингер: «Нельзя сказать, что физика — это точная наука. Она скорее является способом описания того, что мы наблюдаем». Этот принцип особенно актуален в контексте изучения ELF, где границы между известными и неизвестными явлениями остаются размытыми, а каждый новый результат лишь углубляет наше понимание вселенной и одновременно подчеркивает ограниченность текущих моделей.

Что дальше?

Представленная работа, как и любая попытка заглянуть за горизонт событий, обозначила скорее границы невежества, чем новые знания. Отсутствие обнаруженных сигналов от экзотических полей низкой массы не является опровержением их существования, а лишь напоминает о скромных возможностях современных инструментов. Любая гипотеза о сингулярности — всего лишь попытка удержать бесконечность на листе бумаги. Поиск, разумеется, не должен прекратиться, но необходимо признать, что надежда на быстрое обнаружение требует некоторого охлаждения.

Перспективы дальнейших исследований лежат, вероятно, в комбинировании различных подходов к мультимессенджерной астрономии. Улучшение точности атомных часов, расширение сетей GPS и, что особенно важно, разработка новых методов анализа данных, способных выделить слабые сигналы на фоне шума, — всё это необходимые шаги. Чёрные дыры учат терпению и скромности; они не принимают ни спешки, ни шумных объявлений.

Однако, истинный прогресс может прийти не от поиска конкретных частиц или полей, а от пересмотра фундаментальных представлений о гравитации и пространстве-времени. Возможно, сама постановка вопроса о «новых» физических явлениях ошибочна, и ответ кроется в более глубоком понимании уже известных законов. Пока же, поиск продолжается, как вечное напоминание о том, что познание — это бесконечный процесс.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.15296.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-18 12:58