Рябь в пространстве-времени: шаг к разгадке происхождения гравитационных волн

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters , предполагает, что сверхохлаждённый фазовый переход первого рода в ранней Вселенной может объяснить сигналы гравитационных волн, наблюдаемые с помощью массивов пульсаров (PTAs). Эти гравитационные волны представляют собой рябь в пространстве-времени, вызванную мощными космическими событиями, такими как слияние чёрных дыр. Впервые их обнаружила обсерватория LIGO в 2016 году, подтвердив предсказания Альберта Эйнштейна, сделанные почти за столетие до этого.

Недавно обсерватория NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) зафиксировала наличие стохастического фона гравитационных волн (stochastic gravitational wave background, SGWB) с помощью массивов пульсаров. SGWB отличается тем, что он изотропен, т.е. распространяется равномерно во всех направлениях, что указывает на равномерное распределение его источников по всей Вселенной. Это открытие побудило учёных из исследовательской группы, чью работу описывает статья в Physical Review Letters, изучить возможное происхождение этих волн.

Первые выводы и предположения

Профессор Юнчен Ву, один из соавторов исследования, отметил, что изучение ранней Вселенной ограничено периодом после формирования космического микроволнового фона (CMB). "Гравитационные волны в настоящее время являются единственным методом исследования очень ранней Вселенной", — заявил он. Профессор Лэй добавил, что в последние годы сильно сверхохлаждённые фазовые переходы первого рода широко рассматриваются как возможный источник SGWB. "Новый сигнал, наблюдаемый PTAs, может свидетельствовать о таком переходе, что является очень волнующей возможностью", — добавил профессор Питер Атрон.

Суть фазовых переходов первого рода

Фазовые переходы первого рода — это переходы, при которых система переходит между различными фазами резко и неравномерно. Примером такого перехода является замерзание воды. "Вода может оставаться в жидком состоянии даже при температуре ниже точки замерзания, а затем с малым возмущением внезапно превращается в лёд. Ключевой признак в том, что система остаётся в данной фазе длительное время при температуре ниже переходной", — объяснил профессор Ву.

Электрослабое взаимодействие — это объединённое описание двух из четырёх фундаментальных сил природы: электромагнитной силы и слабого ядерного взаимодействия. "Мы знаем, что в нашей Вселенной одно кардинальное изменение — нарушение электрослабой симметрии — порождает массы всех фундаментальных частиц, которые мы наблюдаем сегодня", — добавил профессор Атрон.

Потенциальный механизм генерации SGWB

Идея теории заключается в том, что ранняя Вселенная находилась в высокотемпературном состоянии, известном как ложное вакуумное состояние. По мере расширения и охлаждения Вселенной потенциальная энергия уменьшается. Ниже критической температуры ложное вакуумное состояние становится нестабильным, и квантовые флуктуации могут инициировать формирование истинных вакуумных состояний, происходящих через нуклеацию пузырей. Эти пузыри, представляющие области истинного вакуума, растут и расширяются, сталкиваясь и соединяясь. Динамика расширяющихся пузырей создаёт SGWB, наблюдаемый NANOGrav.

Моделирование и результаты исследования

Учёные начали с теоретического моделирования для изучения сверхохлаждённых фазовых переходов и возможности генерации SGWB. "В случае сверхохлаждённых фазовых переходов модели могут предсказать условия, при которых такие переходы могут происходить, включая температуру, при которой происходит фазовый переход, и характеристики процесса перехода", — объяснил профессор Лэй.

Однако исследователи столкнулись с двумя основными проблемами, которые исключают модель сверхохлаждённого фазового перехода как объяснение для сигнала в диапазоне нГц, обнаруженного NANOGrav. Первая проблема — перколяция и завершение фазового перехода. При понижении температуры ниже критического значения фазовый переход не происходит, так как энергия, необходимая для нуклеации и роста пузырей новой фазы, становится слишком низкой. Вторая проблема — процесс нагрева. Даже если фазовый переход завершён, выделение энергии во время перехода повышает температуру Вселенной, что затрудняет поддержание условий, необходимых для генерации SGWB.

Заключение и дальнейшие исследования

Хотя сверхохлаждённые фазовые переходы могут помочь связать сигнал в диапазоне нГц с новой физикой, учёные пришли к выводу, что они, вероятно, не являются источником наблюдаемого SGWB. Исследователи планируют изучить другие фазовые переходы, которые могут объяснить наблюдаемый сигнал. Также они намерены выпустить программное обеспечение и расчёты, разработанные в ходе этого исследования, чтобы другие команды могли использовать те же строгие методы.