|
Сильное взаимодействие влияет на фон гравитационных волн
|
|
|
|
С точки зрения гравитации, Вселенная - шумное место. Мешанина гравитационных волн из неизвестных источников непредсказуемо распространяется по космосу, в том числе, возможно, из ранней Вселенной. Ученые искали признаки этих ранних космологических гравитационных волн, и теперь команда физиков показала, что такие волны должны иметь отчетливую сигнатуру из-за поведения кварков и глюонов по мере остывания Вселенной. Такое открытие оказало бы решающее влияние на то, какие модели лучше всего описывают Вселенную почти сразу после Большого взрыва. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters. Ученые впервые обнаружили прямые доказательства существования гравитационных волн в 2015 году с помощью интерферометров гравитационных волн LIGO в США. Это единичные (хотя и с небольшой амплитудой) волны из определенного источника, такого как слияние двух черных дыр, которые проносятся мимо Земли. Такие волны заставляют перпендикулярные 4-километровые плечи интерферометров изменять длину на незначительные (но разные) величины, разница обнаруживается по изменениям результирующей интерференционной картины при перемещении лазерных лучей взад и вперед по плечам детектора.
|
|
|
|
Но есть и гравитационные волны меньшего размера, их так много, что они выглядят как шум. Ученые старательно искали среди этого шума фон стохастических гравитационных волн (стохастический означает случайно определенный, а именно непредсказуемый). Но эти меньшие гравитационные волны труднее обнаружить, и ученые обратились к миллисекундным массивам пульсаров, в которых расстояние от Земли до удаленного пульсара равно эффективной длине плеча интерферометра. Пульсары — вращающиеся нейтронные звезды - испускают лучи излучения, некоторые в таком направлении, что луч проходит мимо Земли, подобно лучу от вращающегося маяка. Пульсары имеют чрезвычайно стабильный период обращения, и любое измерение времени этих часов было бы незначительно изменено проходящими мириадами меньших гравитационных волн, длина волны которых составляет световые годы. В прошлом году коллаборация NANOGrav опубликовала доказательства того, что эти низкочастотные стохастические гравитационные волны действительно существуют на фоне пространства-времени, как и другие группы. Но каков их источник? Возникает ли фон из-за астрофизических явлений, таких как сотни тысяч сливающихся сверхмассивных черных дыр, сверхновых звезд и тому подобного?
|
|
|
Возможно, фон возник в ранней Вселенной, и с тех пор его волны распространяются повсюду, сродни космическому микроволновому фону, который заполняет все пространство из-за отделения фотонов от электронов через 380 000 лет после Большого взрыва. Или что-то еще? Различение сценариев сталкивается с трудностями. Текущее понимание физики сверхмассивных черных дыр еще недостаточно развито, чтобы делать твердые выводы. А непрерывный спектр фоновых гравитационных волн зависит от микроскопических деталей их источника и требует детального численного моделирования. Эта новая работа дает возможность отличить волны ранней Вселенной от волн из других источников. Физика стандартной модели — успешные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий — должна оставлять отчетливый след на измеряемом фоне, который не зависит от точной выбранной модели ранней Вселенной.
|
|
|
|
По мере того как Вселенная остывала с начального момента Большого взрыва, она проходила через различные фазы. Один из упомянутых выше случаев - это разделение фотонов через 380 000 лет, когда Вселенная стала достаточно холодной, чтобы электроны могли соединяться с протонами и образовывать атомы водорода, внезапно оставляя фотоны дрейфовать по течению. Но был более ранний переход, или скрещивание, когда свободные кварки и глюоны, которые образовали кварк-глюонную плазму, объединились в отдельные частицы из двух или более кварков, слипшихся вместе в результате сильного взаимодействия, с захваченными ими глюонами. Ожидается, что этот "переход квантовой хромодинамики (КХД)" произошел, когда температура Вселенной составляла около одного триллиона Кельвинов, примерно через 10-5 секунд после Большого взрыва. Это соответствует энергии около 100 МэВ. (КХД - это теория сильного взаимодействия.)
|
|
|
|
Как оказалось, частоты в наногерцах, измеряемые временными решетками пульсаров, имеют тот же порядок, что и наблюдаемые низкочастотные стохастические гравитационные волны на заднем плане. Пересечение не создает волн, но внезапное падение числа свободных частиц изменяет уравнение, управляющее состоянием Вселенной. Источники гравитационных волн перед пересечением КХД генерируют низкочастотный сигнал, на который влияет это изменение уравнения состояния. Исследователи говорят, что теперь сигнал можно искать в данных временной матрицы pulsar. "Мы считаем, что точная характеристика фона гравитационных волн различного происхождения является решающим шагом для продвижения вперед в этом исследовании", - сказал Дэвид Ракко, соавтор статьи из Института теоретической физики Стэнфордского университета. "Мы выделяем общую и неизбежную черту для широкого спектра первичных явлений, которая, как мы доказываем, является полезным компонентом для различения различных источников фона". Такой результат стал бы поразительным воздействием сложностей квантовой физики на вселенную, которую мы видим сегодня, еще раз продемонстрировав, как физика элементарных частиц и космология сходятся на одной почве.
|
|
|
|
Источник
|
