Влияние «сильного взаимодействия» на фон гравитационных волн во Вселенной

По космическому пространству постоянно проходят гравитационные волны из разных источников, в том числе, возможно, из очень ранней Вселенной.

Ученые искали признаки этих ранних космологических гравитационных волн, и теперь группа физиков показала, что такие волны должны иметь отчетливую сигнатуру из-за поведения кварков и глюонов по мере охлаждения Вселенной. Такое открытие окажет решающее влияние на то, какие модели лучше всего описывают Вселенную почти сразу после Большого взрыва.

Ученые впервые нашли прямые доказательства существования гравитационных волн в 2015 году на интерферометрах гравитационных волн LIGO. Это сингулярные (хотя и с небольшой амплитудой) волны от определенного источника, например, от слияния двух черных дыр, проносящихся мимо Земли. Такие волны заставляют 4-километровые перпендикулярные плечи интерферометров изменять длину на минимальные (но разные) величины, разница обнаруживается по изменениям в результирующей интерференционной картине, когда лазерные лучи движутся вперед и назад в плечах детектора.

Но есть и меньшие гравитационные волны, и их настолько много, что они выглядят как шум. Ученые усердно искали среди этого шума стохастический фон гравитационных волн (стохастический означает случайно определенный, то есть непредсказуемый). Но эти меньшие гравитационные волны труднее обнаружить, и ученые обратились к массиву синхронизации пульсаров.

Пульсары — вращающиеся нейтронные звезды — излучают лучи радиации, некоторые в таком направлении, что луч проносится мимо Земли, как будто это луч вращающегося маяка. Пульсары имеют чрезвычайно стабильный период обращения, и любое измерение этого времени будет слегка изменено проходящим множеством 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 в пространственно-временном фоне, как и другие группы. Но каков их источник? Возникает ли фон из-за астрофизических явлений, таких как сотни тысяч слияний сверхмассивных черных дыр, сверхновых и тому подобного?

Возможно, фон зародился в ранней Вселенной, и с тех пор его волны распространяются, подобно космическому микроволновому фону, который заполняет все пространство из-за отделения фотонов от электронов через 380 000 лет после Большого взрыва. Или это что-то другое?

Однако, современное понимание физики сверхмассивных черных дыр еще недостаточно развито, чтобы делать однозначные выводы. А непрерывный спектр фоновых гравитационных волн зависит от микроскопических деталей их источника и требует детального численного моделирования.

Новая работа дает возможность отличить волны ранней Вселенной от волн из других источников. Физика стандартной модели — успешные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий — должна оставить четкий след на измеренном фоне, который не зависит от конкретной выбранной модели ранней Вселенной.

По мере того как Вселенная остывала с момента Большого взрыва, она проходила различные фазы. Один из упомянутых выше случаев — это разделение фотонов через 380 000 лет, когда Вселенная стала достаточно холодной, чтобы электроны могли связываться с протонами и образовывать атомы водорода, оставляя фотоны внезапно дрейфовать.

Но произошел и более ранний переход, когда свободные кварки и глюоны, образовавшие кварк-глюонную плазму, объединились в отдельные частицы из двух или более кварков, слипшихся вместе в результате сильного взаимодействия, с захваченными ими глюонами.

Ожидается, что это «пересечение квантовой хромодинамики (КХД)» произошло, когда температура Вселенной составляла около одного триллиона Кельвинов, примерно через 10^-5 секунд после Большого взрыва. Это соответствует энергии около 100 МэВ.

Как оказалось, наногерцовые частоты, исследуемые в массиве синхронизации пульсаров, имеют тот же порядок, что и наблюдаемые низкочастотные стохастические гравитационные волны на заднем плане. Переход не создает волны, но внезапное падение числа свободных частиц меняет уравнение, управляющее состоянием Вселенной. Источники гравитационных волн перед пересечением КХД производят низкочастотный сигнал, на который влияет это изменение уравнения состояния. Исследователи говорят, что теперь сигнал можно искать в данных массива синхронизации пульсаров.

«Мы считаем, что точная характеристика фона гравитационных волн различного происхождения является решающим шагом для продвижения вперед в этом исследовании», — сказал Давиде Ракко, соавтор статьи из Института теоретической физики Стэнфордского университета.

«Мы выделяем общую и неизбежную особенность для широкого спектра первичных явлений, которая, как мы докажем, является полезным ингредиентом для различения различных источников фона».

Подобный результат мог бы стать поразительным воздействием сложностей квантовой физики на Вселенную, которую мы видим сегодня, еще раз продемонстрировав, как физика элементарных частиц и космология встречаются на одной и той же основе.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.