Квантовая модель происхождения реликтовых гравитационных волн не нашла поддержки у физиков

Новости МирТесен

Еще в течение многих лет различные научные коллективы высказывали предположения о возможности существования реликтовых гравитационных волн. Тем не менее, когда в начале 2020-х годов было сделано это открытие, выяснилось, что характеристики обнаруженных гравитационных волн расходятся с большинством существующих прогнозов, за исключением одного конкретного сценария.

В начале 2020-х годов совместная работа ученых в рамках проекта NANOGrav позволила зарегистрировать гравитационные волны наногерцевого диапазона (от 2,5 до 12 наногерц), распространяющиеся во всех направлениях. Фактически, они поступают из каждой наблюдаемой нами области Вселенной, подобно реликтовому излучению, которое было открыто более полувека назад.

Для выявления гравитационных волн астрономы анализировали изменения во времени, затрачиваемом радиосигналам от вращающихся нейтронных звезд на путь к Земле. Гравитационная волна, представляющая собой искажение пространства-времени, вызывает изменения в длительности радиосигнала от удаленного источника при прохождении между нейтронной звездой и Землей. Именно такие изменения были зарегистрированы NANOGrav.

В 2021 году физик Николай Горькавый предложил использовать термин «реликтовые гравиволны» для обозначения этих явлений. Как ученый показал ранее, подобные волны должны быть следами от гравитационных волн «стандартных» частот, от слияния черных дыр из прошлого цикла Вселенной (периода до последнего Большого взрыва). Нынешние «нестандартные» частоты они получили потому, что Вселенная при расширении изменила размер и этих реликтовых гравиволн.

Несмотря на это, исследователи предлагали и альтернативные объяснения обнаруженных наногерцевых волн. Так, предполагалось, что они возникают в результате слияния пар сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик. Однако, такие слияния должны порождать гравитационные волны с отличающейся амплитудой. К тому же, для объяснения количества наблюдаемых наногерцевых волн потребовалось бы предположить, что сверхмассивные черные дыры сливаются гораздо чаще, чем это свидетельствуют астрономические данные.

Альтернативное объяснение связывают с фазовыми переходами, происходившими в ранней Вселенной вследствие случайных квантовых флуктуаций. Предполагается, что распад древнего электрослабого взаимодействия на современные электромагнитное и слабое взаимодействия мог вызвать резкие изменения температуры в космической среде вскоре после Большого взрыва. В результате материя, вероятно, прошла через скачкообразный фазовый переход, аналогичный быстрому образованию льда из воды в жидком состоянии.

В условиях ранней Вселенной подобный фазовый переход должен был проявляться как трансформация зон с ложным вакуумом (области, где энергетический уровень не достигает минимально возможного значения, считаются зонами ложного вакуума. Истинный вакуум характеризуется энергетическим уровнем, равным минимально возможному – это состояние, в котором находится вакуум Вселенной на текущий момент. В теоретических моделях взаимодействие между областями ложного и истинного вакуума может генерировать гравитационные волны наногерцового диапазона частот.

В новой работе, вышедшей в журнале Physical Review Letters, чтобы более детально проанализировать возможность того, что уже зафиксированные наногерцевые волны являются следствием подобного «фазового перехода», международная группа исследователей предприняла попытку проведения соответствующих расчетов.

Результаты моделирования продемонстрировали, что диапазон условий, необходимых для реализации такого перехода и генерации гравитационных волн, весьма ограничен. При слишком быстром формировании областей истинного вакуума среди областей ложного, космос будет насыщаться ими преждевременно, до наступления фазового перехода, что не позволит взаимодействию различных регионов Вселенной породить гравитационные волны требуемой частоты. Альтернативно, при медленном распространении областей с истинным вакуумом, необходимая для наблюдения картина также не сформируется, поскольку истинный вакуум попросту не успеет охватить достаточно большую территорию Вселенной к моменту ее остывания и завершения фазового перехода.

Существует еще одна сложность: предполагаемый фазовый переход должен сопровождаться высвобождением значительного количества энергии. Это означало бы, что после его завершения Вселенная должна была бы в короткий промежуток времени вновь нагреться на ощутимую величину. Однако подобный процесс нагрева также не позволяет получить параметры, необходимые для формирования наногерцевых волн. Даже если при этом возникнут какие-либо гравитационные волны, их частота, скорее всего, не будет соответствовать наблюдаемым сегодня данным NANOGrav.

В представленной исследовательской работе авторы не представили никаких гипотез относительно возможных причин возникновения наногерцевых гравитационных волн, поступающих со всех сторон. Следует отметить, что на текущий момент теория Горькавого позволяет без труда объяснить данный гравитационно-волновой фон гипотезаГорькавого без сложностей объясняет этот гравитационно-волновой фон.