探索通过引力波记忆探测基本时空对称性的可能性
正如广义相对论所预测的那样，引力波的通过会在物体的相对位置上留下可测量的变化。这种被称为引力波记忆的物理现象可能被用来研究引力波和时空。格兰萨索科学研究所 (GSSI) 和国际高等研究院 (SISSA) 的研究人员最近开展了一项研究，探索利用引力波记忆测量时空对称性的可能性，时空对称性是时空在特定变换后保持不变的基本属性。他们的论文发表在《物理评论快报》上，指出可以通过观察位移和自旋记忆来探测这些对称性。
“很长一段时间以来，我都对引力波记忆现象以及相关的低能物理与量子力学之间的联系感到好奇，”该论文的共同作者鲍里斯·冈察洛夫告诉 Phys.org。“我第一次听说温伯格的软引力子定理是在我攻读博士学位期间，当时他正在澳大利亚莫纳什大学的保罗·拉斯基教授那里讨论引力波记忆。然后我了解到所谓的‘红外三角’，它将软定理与引力波记忆以及来自引力波源的无穷时空对称性联系起来。”
温伯格的软引力子定理和“红外三角”是概括同一种物理现象的数学公式：引力波记忆。作为他们最近研究的一部分，冈察洛夫和他的同事着手探索利用引力波记忆探测时空对称性的可能性。
冈察洛夫说：“这一现象在不断的尝试中发挥了作用，即将百年历史、永不沉没、但与微观世界不相容的爱因斯坦引力理论——广义相对论——描述为时空渐近边缘的量子场论。”
“这种物理学统一方法对我来说似乎很有意义，也很有前景；我觉得这非常令人兴奋。我们的具体项目是在与出版物合著者 Laura Donnay 教授讨论该领域的新进展时产生的。”
研究人员在回顾该领域的先前文献时发现，越来越多的遥远时空对称性被讨论，但尚不清楚自然界中存在哪些对称性和相应的记忆项。虽然一些物理学家探索了探测引力波记忆的可能性，但冈察洛夫和他的同事不确定使用他们的测量结果可以约束哪些物理学。
“我们可以测试这些时空对称性的想法是我们研究的核心，”冈察洛夫解释说。“另一方面，我和简·哈姆斯教授都是爱因斯坦望远镜合作项目的成员，研究引力波记忆的观测前景对该项目非常重要。爱因斯坦望远镜是计划于 2030 年代建成的下一代欧洲地面引力波探测器。”
到目前为止，研究人员还没有引入一种通过观察引力波记忆效应来测量时空对称性的常规方法。Goncharov 和他的同事最近发表的论文旨在填补文献中这一明显的空白。
“之前有很多重要的研究工作都集中在以下几个方面：(a) 预测何时以及使用哪些仪器能够探测到各种引力波记忆项；(b) 如何通过分析或使用数值相对论计算引力波记忆效应；以及 (c) 不同的时空对称模型如何产生引力波记忆项，”冈察洛夫说。“然而，基于观察到的记忆效应对时空对称性的讨论似乎是文献中的一个空白。”
这些研究人员最近的研究成果可以看作是原理证明。他们在论文中介绍了可用于探测时空对称性的新观测测试，同时也概述了他们所提方法的潜在局限性，这些局限性可能会在未来得到解决。
总体而言，他们的研究表明广义相对论的测试范围可以扩大。此外，它还提供了一些有用的计算，可以使用各种引力波探测器收集的数据进行计算。
冈察洛夫和他的同事希望他们的论文能够引发研究界关于时空对称性和引力波记忆等问题的进一步讨论。这些讨论可能为各种物理理论的统一铺平道路。
“目前，我正与 Sharon Tomson（我目前所在的德国汉诺威 AEI 研究所的新博士生）和 Rutger van Haasteren 博士一起，开始使用脉冲星计时阵列 (PTA) 寻找引力波记忆。”
PTA 是一种天文观测工具，利用地球上的射电望远镜收集来自脉冲星（即快速旋转的中子星）的高度稳定和规则的信号。这些中子星的行为就像高精度时钟，因为它们足够灵敏，可以捕捉到引力波在银河系传播时产生的无线电脉冲的延迟和提前。
“PTA 是星系级探测器，目前似乎正在逐渐接收到附近宇宙中缓慢旋转的超大质量双黑洞的联合嗡嗡声。信号产生脉冲到达时间的缓慢变化，在几年到几十年的时间尺度上最为明显，”Goncharov 补充道。
“附近星系中一次引人注目的超大质量双黑洞合并可能会引发具有记忆的引力波爆发，可被 PTA 探测到。尽管这种爆发非常罕见，但我们希望通过限制它们的存在来从数据中提取一些有用的信息。”
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