space

Гравитационные волны могут возникать из первичных разломов в пространстве-времени

Ранняя Вселенная могла быть настолько жестоким местом, что само пространство-время треснуло, как оконное стекло. Эти разломы высвободили бы потоки гравитационных волн, и группа астрономов обнаружила, что мы, возможно, уже обнаружили эту рябь в ткани пространства-времени.

Команда, которая недавно сообщила о своих результатах в статье, представленной для публикации в Журнале вычислительной астрофизики, утверждает, что они видели доказательства существования так называемых доменных стенок в ранней Вселенной.

Когда наша Вселенная была невероятно молода, она была также невероятно экзотична. Четыре силы природы были связаны в единую объединенную силу. Мы не знаем, как выглядела эта сила и как она действовала, но мы знаем, что по мере охлаждения и расширения Вселенной эта объединенная сила раскололась на четыре знакомых нам сегодня силы.

Сначала появилась гравитация, затем откололась сильная ядерная сила, и, наконец, электромагнитная и слабая ядерная силы отделились друг от друга.

С каждым из этих расщеплений Вселенная полностью переделывала себя. Новые частицы возникли на смену тем, которые раньше могли существовать только в экстремальных условиях. Фундаментальные квантовые поля пространства-времени, определяющие, как частицы и силы взаимодействуют друг с другом, изменили свою конфигурацию.

Мы не знаем, насколько плавно или грубо происходили эти фазовые переходы, но вполне возможно, что при каждом расщеплении Вселенная сразу становилась множественной идентичностью. Этот разрыв не так экзотичен, как кажется. Это происходит при всевозможных фазовых переходах, например, при превращении воды в лед.

Различные участки воды могут образовывать молекулы льда с разной ориентацией. Несмотря ни на что, вся вода превращается в лед, но разные домены могут иметь различное молекулярное расположение. Там, где эти домены встречаются со стенками или несовершенствами, появляются трещины.

Зондирование кишечника

Физики особенно интересуются так называемым фазовым переходом нашей Вселенной. GUT — это сокращение от «теории великого объединения», гипотетической модели физики, которая объединяет сильное ядерное взаимодействие с электромагнетизмом и слабым ядерным взаимодействием. Эти теории находятся вне досягаемости текущих экспериментов, поэтому физики и астрономы обращаются к условиям ранней Вселенной, чтобы изучить этот важный переход.

Фазовый переход ТВО, который произошел, когда возраст Вселенной составлял всего долю секунды, вполне мог оставить после себя доменные стены, сеть границ между различными конфигурациями пространства-времени. Однако эти дефекты не могли продолжаться долго.

Если бы они сохранялись в течение нескольких секунд или даже минут, их интенсивная энергия затормозила бы процесс нуклеосинтеза, который дал начало всему первичному водороду и гелию во Вселенной или исказил наши изображения космического микроволнового фона (CMB), оставшееся излучение Большого Взрыва.

Таким образом, этот взаимосвязанный набор доменных стенок должен был распасться на другие частицы — либо обычные частицы, такие как электроны или кварки, либо более экзотические частицы, такие как какая-то форма темной материи.

В любом случае, этот процесс распада в сочетании с волнообразным движением самих доменных стенок высвободил бы поток гравитационных волн, которые могли бы сохраняться в современной Вселенной.

Исследование домена

Эти гравитационные волны были бы невероятно слабыми, и их невозможно было бы обнаружить с помощью существующих наземных средств гравитационных волн. Но вот уже более десяти лет несколько групп астрономов по всему миру вместо этого ищут пульсары для картографирования гравитационных волн, плещущихся во Вселенной.

Пульсары — невероятно точные объекты для хронометража, способные сохранять свой ритм с точностью до миллионной доли секунды. Однако если между нами и рядом пульсаров проходит гравитационная волна, это тонко влияет на период пульсации. Изучая большое количество пульсаров в течение длительных периодов времени, мы можем надеяться найти сигналы фонового вспенивания гравитационных волн.

Эти массивы синхронизации пульсаров, такие как эксперимент NANOGrav и Европейский массив синхронизации пульсаров, уже нашли намеки на сигнал. Большинство астрономов считают, что этот сигнал связан с совместным действием миллионов сверхмассивных черных дыр, сталкивающихся друг с другом в течение миллиардов лет. Но новое исследование представляет другую картину.

Команда утверждает, что сигнал также может быть объяснен распадом доменных стенок в ранней Вселенной. Их модели позволяют доменным стенкам распадаться достаточно быстро, чтобы не нарушать другие наблюдения, такие как CMB, и в то же время обеспечивать достаточно сильный сигнал, чтобы объяснить данные массива синхронизации пульсара.

Поскольку сигналы в данных очень слабые и не подтверждено, что они исходят из какого-либо конкретного источника, есть место для такого рода радикального предложения. Команда утверждает, что будущие измерения времени пульсара должны быть в состоянии отличить их модель распадающихся доменных стенок от традиционной картины столкновения сверхмассивных черных дыр. Кроме того, если их модель верна, доменные стенки должны распадаться либо на нормальные, либо на экзотические частицы.

В любом случае, это должно быть обнаружено с помощью будущих, гораздо более чувствительных измерений реликтового излучения. Если результат подтвердится, это станет крупной победой физики: мы впервые обнаружили конкретные доказательства фазовых переходов ТВО и начало нового понимания физики.

Поделиться с друзьями: