Гравитационните вълни намекват за „суперхладна“ тайна за Големия взрив
Учените може да са на път да разкрият нови аспекти на физиката
През 2023 г. физиците с благоговение откриха почти незабележими вълни в тъканта на пространството и времето — обединени като цяло, известно като пространство-време. Те бяха вълни, открити във връзка с колекции от бързо въртящи се неутронни звезди, наречени „времеви масиви на пулсари“.
Това нискочестотно фоново бръмчене на гравитационни вълни в нашата вселена първоначално се приписва на промяна или „фазов преход“, настъпил малко след Големия взрив. Нови изследвания обаче поставят под съмнение това предположение.
„Теоретиците и експериментаторите спекулират, че нанохерцовите гравитационни вълни произхождат от известен преход, случил се много скоро след Големия взрив – промяна, която е генерирала масите на всички известни фундаментални частици“, Андрю Фаули, асистент професор в Xi'an Jiaotong-Liverpool Университет, се казва в изявление. „Нашата работа обаче разкрива сериозни проблеми с това иначе привлекателно обяснение за техния произход.“
Фазовите преходи са внезапни промени в свойствата на веществото и обикновено се случват, когато дадено вещество достигне критична температура. Фазовият преход може би най-познат за нас е преходът на водата в лед, когато температурите паднат под нулата. Има и така наречените „суперхладни“ преходи. При водата преходът на свръхохлаждане се получава, когато веществото се "заклещи" в течната си фаза, забавяйки превръщането му в лед.
Много учени смятат, че "фазов преход от първи ред" се е случил в самото начало на времето, задействайки изстрелването на гравитационни вълни или вълни в пространство-времето. Експертите смятат, че тези вълни биха могли да се използват за определяне на условията, присъстващи през първата епоха на бърза инфлация в нашата вселена, или може би дори условията, присъстващи преди Големия взрив.
Само фаза?
Концепцията за гравитационните вълни датира от теорията на Алберт Айнщайн за гравитацията от 1915 г., наречена „обща теория на относителността“. Теорията за magnum opus на великия физик предвижда, че обектите с маса имат изкривяващ ефект върху самата тъкан на пространство-времето. Нашето физическо преживяване на гравитацията, гласи теорията, възниква от това изкривяване.
Общата теория на относителността отива и по-далеч от това, като също предполага, че когато обектите се ускоряват, те генерират вълни в пространство-времето - известни още като гравитационни вълни. Въпреки че това явление е незначително, когато става въпрос за ускорение на обекти в мащаб, който виждаме на Земята, ефектът става значителен, когато ускорението включва масивни космически обекти като свръхмасивни черни дупки и неутронни звезди.
Например, когато тези обекти съществуват в бинарни системи - което означава, че два от тях постоянно се ускоряват един около друг - те непрекъснато излъчват гравитационни вълни, докато накрая се сблъскат и издадат висок "писък" на тези вълни.
Освен това гравитационните вълни, подобно на електромагнитното излъчване, идват в диапазон от честоти. Високочестотните гравитационни вълни, подобно на високочестотната светлина, имат по-къси дължини на вълните и са по-енергични. Нискочестотните гравитационни вълни имат по-дълги дължини на вълните и са по-малко енергийни. Нискочестотните дълговълнови гравитационни вълни също имат дълги "периоди", което се отнася до времето между един пик на вълната, преминаващ зададена точка, до следващия пик, преминаващ тази точка.
Гравитационните вълни, открити от пулсарния синхронизиращ масив на Северноамериканската нанохерцова обсерватория за гравитационни вълни (NANOGrav) през юни 2023 г., са с по-ниска честота от гравитационните вълни, наблюдавани идващи от свръхмасивни черни дупки и сливания на неутронни звезди, които рутинно се откриват от гравитационно-вълновата обсерватория за лазерен интерферометър (ЛИГО), ДЕВА и КАГРА.
Това означава, че трябва да има различен източник за тези нискочестотни нанохерцови гравитационни вълни. Главният заподозрян? Фазов преход точно след Големия взрив - суперхладен, за да бъдем точни.
„Открихме, че за да създадем вълни с толкова малки честоти, преходът трябва да е супер хладен“, обясни Фаули.
Има обаче един проблем. Такива преходни фази на космическо свръхохлаждане биха били малко неочаквани по време на периода на бърза космическа инфлация (с други думи, разширяването на Вселената), предизвикана от Големия взрив.
„Тези бавни преходи ще се затруднят да завършат, тъй като скоростта на прехода е по-бавна от скоростта на космическото разширяване на Вселената“, каза Фаули. "Ами ако преходът се ускори в края? Ние изчислихме, че дори ако това помогне на прехода да приключи, то ще измести честотата на вълните от нанохерца."
Изследователят също така добави, че въпреки че нанохерцовите гравитационни вълни са хладни, те вероятно не са "суперхладни" по произход.
"Ако тези гравитационни вълни идват от фазови преходи от първи ред, сега знаем, че трябва да има някаква нова, много по-богата физика - физика, за която все още не знаем", каза Фаули.
Фаули и колегите вярват, че тяхното изследване показва, че е необходимо повече внимание, за да се разберат свръхохладените фазови преходи, особено тези, които биха могли да се появят в началото на Вселената.
„Тъй като това непременно са бавни преходи, обичайните опростявания за това дали преходите са завършени или не, няма да работят“, каза той. „Има много тънкости във връзките между енергийния мащаб на преходите и честотата на вълните, така че се нуждаем от по-внимателни и усъвършенствани техники, когато разглеждаме гравитационните вълни и свръхохладените преходи.
„Разбирането на това поле ще ни помогне да разберем най-фундаменталните въпроси за произхода на Вселената.“
По-доброто разбиране на свръхохладените фазови преходи също би могло да помогне за разбирането на повече земни и по-малко космически фазови преходи.
„Също така има връзки към приложения, които са по-близки до дома, като разбиране как водата тече през скала, най-добрите начини за прецеждане на кафе и как се разпространяват горски пожари“, заключи Фаули.
Изследването на екипа се обсъжда в статия, публикувана в списанието Physical Review Letters.
Първоначално публикувано на Space.com.