В астрофизике квантовые гравитационные эффекты наиболее ярко проявляются в экстремальных условиях, когда плотности энергии и кривизна пространства-времени достигают планковских масштабов. Предполагается, что пространство-время на таких уровнях перестаёт быть гладким и подчиняется дискретной или флуктуирующей структуре. Это приводит к ряду наблюдаемых последствий, которые можно искать в астрофизических данных.
Флуктуации метрики могут влиять на распространение электромагнитного излучения от далёких объектов, вызывая кумулятивные эффекты на космологических расстояниях. Наблюдения гамма-всплесков, активных ядер галактик и пульсаров позволяют ставить ограничения на возможные отклонения скорости света в вакууме и наличие дисперсионных эффектов.
Одним из главных предсказаний квантовой гравитации является эффект Хокинга — испарение чёрных дыр за счёт квантовых флуктуаций поля на горизонте событий. Этот процесс связан с созданием виртуальных пар частиц, одна из которых уходит в бесконечность, а другая поглощается чёрной дырой.
В астрофизике прямое наблюдение излучения Хокинга практически невозможно из-за крайне малой интенсивности для астрофизических чёрных дыр. Однако микро- или первичные чёрные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной, могут обладать массами, при которых квантовое испарение становится заметным. Их излучение может проявляться в виде потоков высокоэнергетичных гамма-квантов, космических лучей или нейтрино, что делает поиск таких объектов важной задачей современной астрофизики.
В условиях Большого взрыва плотность энергии и кривизна достигали масштабов, где классическая общая теория относительности перестаёт работать. Квантовая гравитация вводит естественный механизм сглаживания сингулярности.
Различные модели (петлевая квантовая гравитация, струнная космология) предсказывают замену классической сингулярности на квантовый «отскок», при котором Вселенная могла сжиматься до определённого предела, а затем переходить в фазу расширения. Такие сценарии оставляют отпечатки в распределении космологического микроволнового фона, а также в спектре гравитационных волн.
Открытие гравитационных волн открыло новый канал для проверки квантовых гравитационных эффектов. На планковских масштабах структура пространства-времени может вносить коррекции в дисперсионные свойства гравитационных волн.
Наблюдения детекторов LIGO, Virgo и KAGRA позволяют ставить ограничения на возможные модификации скорости распространения гравитационных волн и их взаимодействие с квантовой пеной пространства-времени. В дальнейшем, при увеличении чувствительности детекторов и запуске космических интерферометров (например, LISA), станет возможным исследовать тонкие квантовые эффекты в спектрах сигналов от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд.
Важным направлением исследований является проверка гипотезы о возможном нарушении лоренц-инвариантности на квантово-гравитационных масштабах. Если скорость света в вакууме слегка зависит от энергии фотона, это проявится при анализе импульсов излучения от далёких источников.
Гамма-всплески и квазары являются идеальными объектами для проверки таких эффектов, поскольку их излучение охватывает широкий диапазон энергий и распространяется на космологические расстояния. Современные данные (например, от обсерватории Fermi-LAT) показывают, что возможные отклонения скорости фотонов от постоянного значения должны быть меньше, чем одна часть на 10^16 от скорости света, что серьёзно ограничивает модели квантовой гравитации.
Компактные объекты, такие как нейтронные звёзды, предоставляют ещё один естественный полигон для изучения квантовых гравитационных эффектов. При плотностях, превышающих ядерные, структура материи может зависеть от квантово-гравитационных поправок.
Особый интерес вызывают столкновения нейтронных звёзд, при которых формируются экстремальные гравитационные поля и испускаются мощные потоки гравитационных волн. Совмещение электромагнитных и гравитационных наблюдений (мульти-мессенджерная астрономия) позволяет накладывать ограничения на модели квантовой гравитации, в том числе связанные с модификацией уравнений состояния плотной материи.
Квантовая гравитация может быть связана с объяснением природы тёмной энергии и тёмной материи. Некоторые модели предполагают, что квантовые флуктуации вакуума вносят эффективный вклад в космологическую постоянную. Другие подходы связывают тёмную материю с остаточными объектами квантовой гравитации, такими как стабильные первичные чёрные дыры или экзотические частицы, предсказанные теориями струн.
Астрофизические наблюдения крупномасштабной структуры Вселенной, слабого гравитационного линзирования и космологического микроволнового излучения являются ключевыми тестами этих гипотез.