Низькочастотні гравітаційні хвилі можуть відкрити нову фізику

У 2023 обсерваторія NANOGrav виявила дивні гравітаційні хвилі дуже низької частоти. Спочатку їх приписували фазовому переходу, що стався невдовзі після Великого вибуху, проте нове дослідження ставить цю гіпотезу під сумнів. Зокрема, тип переходу, що відбувається, настільки повільний, що не узгоджується зі швидкістю розширення Всесвіту.

Це дозволяє припустити, що основою цих хвиль може лежати невідома фізика.

Передбачені з 1915 року загальною теорією відносності Ейнштейна, гравітаційні хвилі є спотворення тканини простору і часу, викликані потужними космічними об’єктами. Їх можна порівняти з брижами на поверхні води, яку створює падаючий об’єкт. Їх можна спостерігати, наприклад, після зіткнення двох чорних дірок або нейтронних зірок. Ці космічні об’єкти постійно випромінюють гравітаційні хвилі, коли утворюють хоча б одну бінарну систему (два об’єкти, що обертаються один навколо одного).

Торік Північноамериканська наногерцова обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav) виявила гравітаційні хвилі на напрочуд низькій частоті (у наногерцовому діапазоні). З того часу джерело цих хвиль є предметом суперечок, оскільки їх частота набагато нижча, ніж у хвиль, що генеруються надмасивними чорними дірками або нейтронними зірками. Дослідники припустили, що ці хвилі можуть виходити з екзотичніших джерел.

Серед них космічні струни (гіпотетичні ниткоподібні структури, які могли з’явитися під час інфляційного періоду Всесвіту), первоздані чорні дірки та фазовий перехід першого порядку – останній варіант є найпоширенішим. Фазовий перехід першого порядку – це великий перехідний процес, що стався невдовзі після Великого вибуху, коли Всесвіт почав остигати і розширюватися.

Проте нове дослідження, нещодавно опубліковане у журналі Physical Review Letters, ставить під сумнів цю останню гіпотезу. “Теоретики та експериментатори припускали, що наногерцові гравітаційні хвилі виникають в результаті відомого переходу, що відбувся невдовзі після Великого вибуху, – зміни, що породило маси всіх відомих фундаментальних частинок”, – пояснює Ендрю Фаулі, співавтор дослідження, у блозі Сіаньського університету Цзяотун-Ліверпуля Китай). “Однак наша робота виявляє серйозні проблеми з цим привабливим в інших відносинах поясненням їхнього походження”, – зазначає він.

Частота, що не відповідає швидкості розширення Всесвіту

Фазові переходи – це раптові зміни властивостей речовини, які зазвичай відбуваються при досягненні критичної температури. Наприклад, при досягненні температури замерзання вода перетворюється на лід. Існує також тип переходу, відомий як «надохолоджений», який відбувається, коли речовина залишається у певному стані протягом тривалого часу, навіть коли вона досягає критичної температури, тим самим уповільнюючи її перетворення.

У цьому випадку, наприклад, вода залишається в рідкій фазі. Проаналізувавши гравітаційні хвилі, виявлені NANOGrav, дослідники виявили, що для генерації хвиль з такою низькою частотою перехід має бути надплинним. Однак такий перехід був би несподіваним, оскільки його швидкість не відповідає швидкості розширення Всесвіту. «Таких повільних переходів було б важко досягти, тому що швидкість переходу менша за швидкість розширення Всесвіту», — пояснює Фаулі.

Дослідники також перевірили, чи зможуть дані узгодитись, якщо перехід пришвидшиться до кінця. Вони виявили, що, хоча це й могло б сприяти його завершенню, частота гравітаційних хвиль, що генеруються, значно перевищувала б наногерц. Таким чином, експерти дійшли висновку, що хвилі, виявлені NANOGrav, не можуть мати суперфроїдного походження. А якщо вони справді виникають у результаті переходу першого ладу, то за ними може стояти невідома фізика.

Ці результати також наголошують на необхідності більш глибоких досліджень надохолоджених фазових переходів, особливо якщо передбачається, що вони відбувалися в ранньому Всесвіті. «Існує безліч тонкощів у зв’язках між енергетичною шкалою переходів та частотою хвиль. Тому нам потрібні обережніші та складніші методи для вивчення гравітаційних хвиль та суперфроїдних переходів», — зазначає Фаулі.

Розуміння цього явища може допомогти розгадати фундаментальні питання про походження Всесвіту, а також розібратися у фізичних процесах, які на перший погляд здаються простими, але досі не до кінця зрозумілими, такими як проникнення води через породи та точний механізм поширення лісових пожеж.