Низкочастотные гравитационные волны могут открыть новую физику

В 2023 году обсерватория NANOGrav обнаружила странные гравитационные волны очень низкой частоты. Сначала их приписывали фазовому переходу, произошедшему вскоре после Большого взрыва, однако новое исследование ставит эту гипотезу под вопрос. В частности, происходящий тип перехода настолько медленный, что не согласуется со скоростью расширения Вселенной.

Это позволяет предположить, что в основе этих волн может лежать неизвестная физика.

Предусмотренные с 1915 г. общей теорией относительности Эйнштейна, гравитационные волны являются искажение ткани пространства и времени, вызванные мощными космическими объектами. Их можно сравнить с рябью на поверхности воды, которую создает падающий объект. Их можно наблюдать, например, после столкновения двух чёрных дыр или нейтронных звезд. Эти космические объекты постоянно излучают гравитационные волны, когда образуют хотя бы одну бинарную систему (два вращающихся друг вокруг друга объекта).

В прошлом году Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) обнаружила гравитационные волны на удивительно низкой частоте (в наногерцовом диапазоне). С тех пор источник этих волн является предметом споров, поскольку их частота намного ниже, чем у генерируемых сверхмассивными черными дырами или нейтронными звездами волн. Исследователи предположили, что эти волны могут исходить из более экзотических источников.

Среди них космические струны (гипотетические нитевидные структуры, которые могли появиться во время инфляционного периода Вселенной), первозданные черные дыры и фазовый переход первого порядка – последний вариант наиболее распространен. Фазовый переход первого порядка – это большой переходный процесс, произошедший вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная начала остывать и расширяться.

Однако новое исследование, недавно опубликованное в журнале Physical Review Letters, подвергает сомнению эту последнюю гипотезу. "Теоретики и экспериментаторы предполагали, что наногерцовые гравитационные волны возникают в результате известного перехода, произошедшего вскоре после Большого взрыва – изменения, породившие массы всех известных фундаментальных частиц", – объясняет Эндрю Фаули, соавтор исследования, в блоге Сианьского университета Цзяотун Китай). "Однако наша работа выявляет серьезные проблемы с этим привлекательным в других отношениях объяснением их происхождения", – отмечает он.

Частота, не соответствующая скорости расширения Вселенной

Фазовые переходы – это внезапные изменения свойств вещества, обычно происходящие при достижении критической температуры. К примеру, при достижении температуры замерзания вода превращается в лед. Существует также тип перехода, известный как «надоохлажденный», который происходит, когда вещество остается в определенном состоянии в течение длительного времени, даже когда оно достигает критической температуры, тем самым замедляя его превращение.

В этом случае, например, вода остается в жидкой фазе. Проанализировав гравитационные волны, обнаруженные NANOGrav, исследователи обнаружили, что для генерации волн с такой низкой частотой переход должен быть сверхтекущим. Однако такой переход был бы неожиданным, поскольку его скорость не соответствует скорости расширения Вселенной. «Таких медленных переходов было бы трудно достичь, потому что скорость перехода меньше скорости расширения Вселенной», — объясняет Фаули.

Исследователи также проверили, смогут ли данные согласоваться, если переход ускорится до конца. Они обнаружили, что, хотя это и могло бы способствовать его завершению, частота генерируемых гравитационных волн значительно превышала бы наногерц. Таким образом, эксперты пришли к выводу, что волны, обнаруженные NANOGrav, не могут иметь суперфроидного происхождения. А если они возникают в результате перехода первого строя, то за ними может стоять неизвестная физика.

Эти результаты также подчеркивают необходимость более глубоких исследований сверхохлажденных фазовых переходов, особенно если предполагается, что они происходили в ранней Вселенной. Существует множество тонкостей в связях между энергетической шкалой переходов и частотой волн. Поэтому нам нужны более осторожные и сложные методы для изучения гравитационных волн и суперфроидных переходов», — отмечает Фаули.

Понимание этого явления может помочь разгадать фундаментальные вопросы о происхождении Вселенной, а также разобраться в физических процессах, которые на первый взгляд кажутся простыми, но до сих пор не понятными, такими как проникновение воды через породы и точный механизм распространения лесных пожаров.