Вълнение в пространство-времето: Стъпка към разкриване на произхода на гравитационните вълни

Скорошно проучване показва, че преохладен фазов преход от първи вид в ранната Вселена може да обясни сигналите на гравитационни вълни, наблюдавани с масиви от пулсари (PTA). Тези гравитационни вълни представляват пулсации в пространство-времето, причинени от мощни космически събития, като например сливане на черни дупки. Те бяха открити за първи път от обсерваторията LIGO през 2016 година, потвърждавайки предсказанията на Алберт Айнщайн отпреди близо век.

Неотдавна Северноамериканската нано-херцова обсерватория за гравитационни вълни (NANOGrav) откри наличието на стохастичен фон на гравитационни вълни (SGWB), използвайки масиви от пулсари.

SGWB се характеризира с това, че е изотропна, т.е. разпространява се равномерно във всички посоки, което показва, че източниците ѝ са равномерно разпределени във Вселената. Това откритие подтикна учените от изследователската група, чиято работа е описана в статия във Physical Review Letters да проучат възможния произход на тези вълни.

Първоначални констатации и предположения

Професор Юнчън Ву, един от съавторите на изследването заяви, че изследването на ранната Вселена е ограничено до периода след формирането на космическия микровълнов фон (КМВ).

„Гравитационните вълни понастоящем са единственият метод за изучаване на много ранната Вселена.“

каза той

Професор Лей добави, че през последните години силно преохладени фазови преходи от първи ред са широко разглеждани като възможен източник на SGWB.

Същност на фазовите преходи от първи ред

Фазовите преходи от първи ред са преходи, при които една система преминава между различни фази рязко и неравномерно. Пример за такъв преход е замръзването на водата. Водата може да остане в течно състояние дори при температури под нулата, а след това при малка пертурбация внезапно се превръща в лед. Ключовият признак е, че системата остава в тази фаза за дълго време при температура под температурата на прехода.

Електрослабото взаимодействие е комбинирано описание на две от четирите фундаментални сили на природата: електромагнитната сила и слабото ядрено взаимодействие.

„Знаем, че в нашата Вселена една драматична промяна – нарушаването на електрослабата симетрия, генерираща масите на всички фундаментални частици, които наблюдаваме днес.“

добави професор Атрон

Потенциален механизъм за генериране на SGWB

Идеята на теорията е, че ранната Вселена се е намирала във високотемпературно състояние, известно като състояние на фалшив вакуум. С разширяването и охлаждането на Вселената потенциалната енергия намалява. Под критична температура състоянието на фалшив вакуум става нестабилно и квантовите флуктуации могат да инициират образуването на истински вакуумни състояния, което се случва чрез зародиш на мехурчета. Тези мехурчета, представляващи области на истинския вакуум растат и се разширяват чрез сблъскване и сливане. Динамиката на разширяващите се мехурчета създава SGWB, наблюдавана от NANOGrav.

Моделиране и резултати от изследването

Учените започват с теоретично моделиране, за да изследват преохладените фазови преходи и възможността за генериране на SGWB. Изследователите обаче се сблъскват с два основни проблема, които изключват модела на преохладен фазов преход като обяснение за сигнала в nHz-обхвата, засечен от NANOGrav. Първият проблем е свързан с перколацията и прекратяването на фазовия преход. Когато температурата се понижи под критична стойност, фазовият преход не се осъществява, тъй като енергията, необходима за зараждането и растежа на мехурчетата на новата фаза става твърде ниска. Вторият проблем е процесът на нагряване. Дори ако фазовият преход е завършен, освобождаването на енергия по време на прехода повишава температурата на Вселената, което затруднява поддържането на условията, необходими за генерирането на SGWB.

Заключение и по-нататъшни изследвания

Въпреки че преохладените фазови преходи могат да помогнат за свързването на сигнала в nHz-обхвата с нова физика, учените заключават, че те вероятно не са източникът на наблюдаваните SGWB. Изследователите планират да проучат други фазови преходи, които биха могли да обяснят наблюдавания сигнал. Те също така възнамеряват да публикуват софтуера и изчисленията, разработени по време на това изследване, така че други екипи да могат да използват същите строги методи.