Темная материя или остывающий «первичный суп» могут создавать гравитационные волны

Всего несколько месяцев назад ученые сообщили об обнаружении очень низкочастотных гравитационных волн. Теперь немецкие астрофизики исследовали два интригующих возможных источника – вселенную, остывающую после Большого взрыва, и поле частиц, которые могут быть темной материей.

Впервые обнаруженные в 2015 году, спустя столетие после того, как Эйнштейн предсказал их существование, Гравитационные волны представляют собой рябь, которая проходит через ткань самого пространства-времени. Они обычно испускаются космическими катаклизмами, такими как столкновения между черными дырами и/или нейтронными звездами.

Эти события создают сигналы, которые являются короткими и резкими, омывая Землю в считанные секунды или даже быстрее. Но было также предсказано, что должно существовать устойчивое фоновое поле слабых волн с огромными длинами волн, которые могут идти мимо нас больше года. Их гораздо труднее обнаружить, и для этого требуются гораздо большие детекторы, чем можно построить здесь, на Земле.

Но в январе коллаборация NANOGrav сообщила о первом обнаружении этих волн с очень низкой частотой около 10-8 Гц. Они были обнаружены при наблюдении серии ярких пульсаров по всей галактике в течение более десяти лет, наблюдая, как их свет растягивается или сжимается с различными интервалами, когда он следует за отливами и потоками фоновых гравитационных волн.

В этом новом исследовании ученые из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU) исследовали, что могло вызвать эти волны. Они обнаружили, что сигнал согласуется с двумя сценариями, лежащими за пределами Стандартной модели физики: фазовый переход в ранней Вселенной и поле аксионоподобных частиц (ALPs), которые могут составлять темную материю.

«Несмотря на то, что до сих пор данные дают нам только первый намек на существование низкочастотных гравитационных волн, нам очень интересно работать с ними”, — говорит Вольфрам Ратцингер, соавтор исследования. — Это потому, что такие волны могли быть вызваны различными процессами, происходившими в ранней Вселенной. Теперь мы можем использовать данные, которые у нас уже есть, чтобы решить, какие из них принимаются во внимание, а какие вообще не соответствуют данным.”

Первый сценарий возвращает нас почти к началу Вселенной. После Большого взрыва Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой – плотным “первичным супом” элементарных частиц, – который медленно охлаждался до тех видов материи, которые мы видим сегодня. Считается, что этот фазовый переход вызвал массивные турбулентности, которые могут быть обнаружены как низкочастотные гравитационные волны.

Интересно, что эти сигналы могут дать ученым возможность заглянуть за ранее недоступную завесу ранней Вселенной. Космический микроволновый фон (CMB) — это поле излучения, которое пронизывает Вселенную, часто описываемое как послесвечение Большого взрыва.

Однако это поле скрывает самые ранние дни Вселенной из поля зрения телескопов, а это означает, что самое далекое прошлое, которое мы можем видеть, находится примерно через 300 000 лет после Большого взрыва. Эти гравитационные волны могут нести информацию из прошлого.

Второй сценарий заключается в том, что низкочастотные гравитационные волны были созданы “полем темной материи».” Аксионы — это гипотетические элементарные частицы, которые, если они существуют, как полагают, плавают по Вселенной волнами, редко взаимодействуя с нормальной материей. Таким образом, они были предложены в качестве кандидата на частицу темной материи.

Команда ученых, работающая над новым исследованием, предполагает, что поле аксионоподобных частиц может быть ответственно за сигналы гравитационных волн. Они передавали бы энергию другой гипотетической частице, называемой темным фотоном, который был бы носителем силы, подобной знакомому электромагнитному фотону. Эта передача энергии усилит квантовые флуктуации в темном фотонном поле, которые могут вырасти в тот вид гравитационного волнового фона, который был обнаружен.

Исследователи говорят, что из двух сценариев фазовый переход является более вероятным кандидатом. Они также указывают, однако, что первоначальный вывод команды – что рябь представляет фоновый шум столкновений между сверхмассивными черными дырами – все еще является самым точным объяснением. Но в любом случае дальнейшее исследование потенциально может помочь раскрыть секреты, выходящие за рамки Стандартной модели.

«Наша работа является первым, но важным достижением – она дает нам большую уверенность в том, что с более точными данными мы можем сделать надежные выводы о сообщении, которое гравитационные волны посылают нам из ранней Вселенной”, — говорят исследователи.

Исследование было опубликовано в журнале SciPost Physics.