В 2023 году обсерватория NANOGrav зарегистрировала необычные гравитационные волны с очень низкой частотой. Сначала предполагали, что причиной стало событие фазового перехода, произошедшее после Большого взрыва, но новое исследование оспаривает эту версию. В нём говорится, что тип происходящего перехода слишком медленный, чтобы соответствовать скорости расширения Вселенной. Это открывает возможность, что за волнами скрывается неизвестная физическая реальность.
Предсказанные в 1915 году общей теорией относительности Эйнштейна гравитационные волны — искажения пространства и времени, вызванные массивными космическими объектами. Можно сравнить их с рябью на поверхности воды, образующейся при падении объекта. Их можно наблюдать, например, после столкновения двух черных дыр или нейтронных звезд. Космические объекты постоянно излучают гравитационные волны при образовании бинарных систем — двух объектов, вращающихся друг вокруг друга.
Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) обнаружила гравитационные волны в прошлом году на удивительно низкой частоте (в наногерцовом диапазоне). Источник этих волн пока неизвестен, так как их частота ниже, чем у волн, генерируемых сверхмассивными черными дырами или нейтронными звездами.
Учёные считают, что эти волны могут быть связаны с более необычными источниками, такими как космические струны, возникшие во время инфляционного периода Вселенной, первозданные черные дыры или фазовый переход первого порядка, который считается наиболее вероятным вариантом. Фазовый переход первого порядка — это значительный процесс, произошедший сразу после Большого взрыва, когда Вселенная начала охлаждаться и расширяться.
Недавно опубликованное в журнале новое исследование… , ставит под сомнение эту последнюю гипотезу. «Теоретики и экспериментаторы полагают, что наногерцовые гравитационные волны образуются из-за перехода, случившегося сразу после Большого взрыва, который создал массу всех известных элементарных частиц. — поясняет Эндрю Фаули, соавтор исследования, на сайте университета Цзяотун-Ливерпуля. Наше исследование выявляет существенные проблемы у этого, привлекательного в других отношениях, объяснения происхождения. », — отмечает он.
Скорость распространения волн во Вселенной и масштабы её расширения.
Фазовые переходы — резкие изменения свойств вещества, которые обычно происходят при достижении им критической температуры. Пример: при температуре замерзания вода превращается в лед. Существует также тип перехода, называемый «сверхохлажденным». Происходит он тогда, когда вещество остается в определенном состоянии длительное время даже при достижении критической температуры, замедляя тем самым его преобразование. В этом случае, например, вода остаётся в жидкой фазе.
Исследователи, проанализировав гравитационные волны, обнаруженные NANOGrav, пришли к выводу, что для их генерации необходим сверхтекучий переход. Такой переход же был бы неожиданным, так как его скорость не совпадает со скоростью расширения Вселенной. Достичь таких медленных переходов сложно из-за меньшей скорости перехода по сравнению со скоростью расширения Вселенной. », — объясняет Фаули.
Учёные также исследовали возможность согласования данных при ускоренном завершении перехода. Выяснилось, что, хотя это могло бы способствовать его окончанию, частота генерируемых гравитационных волн значительно превышала бы наногерц. В результате специалисты пришли к выводу, что обнаруженные NANOGrav волны не могут быть суперфроидными по происхождению. Если же они действительно возникают в результате перехода первого порядка, за ними может скрываться неизвестная физика.
Полученные данные показывают важность дальнейших исследований сверхнизкотемпературных фазовых переходов, особенно с учётом гипотезы о их участии в ранней Вселенной. Связь между энергетической шкалой переходов и частотой волн имеет много нюансов, поэтому изучение гравитационных волн и суперфроидных переходов требует более тонких и сложных подходов. », — отмечает Фаули.
Овладев этим явлением, можно получить ответы на фундаментальные вопросы о возникновении Вселенной. Это позволит также глубже понять физические процессы, казавшиеся простыми, но остающиеся до сих пор не fully изученными, например, проницаемость воды сквозь породы и точный механизм распространения лесных пожаров.