Как это ни невероятно, но при определенных условиях фотон — безмассовая элементарная частица — может превращаться в другую частицу и ее античастицу, обладающую массой. Вдохновленные этим процессом, физики-теоретики проверили идею о том, что гравитон, гипотетический квант гравитационной силы, также может превращаться в другие частицы, в частности, в фотоны.
Стандартная модель физики частиц, которая описывает все субатомные частицы (элементарные и составные), помогает объяснить, как они взаимодействуют с материей — эти взаимодействия зависят от их природы и энергии. Иногда частицы превращаются друг в друга посредством различных процессов; но фотон, квант энергии, связанный с электромагнитными волнами, этого не делает, потому что он не имеет массы — и поэтому теоретически не может превратиться в частицу с массой.
Однако при определенных особых условиях это становится возможным: если высокоэнергетический фотон проходит вблизи атомного ядра, его энергия может быть преобразована в электрон-позитронную пару — то есть две частицы с массой — в процессе, известном как «Рождение пар», который является основным способом взаимодействия фотонов с веществом. Основываясь на этом странном явлении, физики из Университета Макгилла в Монреале и Ягеллонского университета в Кракове предположили, что гравитация также может преобразовываться в другие частицы.
Гораздо более сильные гравитационные волны в ранней Вселенной
Общая теория относительности описывает гравитацию как проявление искривления пространства-времени, которое, в свою очередь, порождается распределением энергии материи внутри него. Но с точки зрения квантовой физики, эти колебания пространства-времени, то есть гравитационные волны, можно интерпретировать как распространение гипотетической элементарной частицы, передающей гравитацию, называемой гравитоном, рассматриваемым как квант гравитационной силы. В теории гравитоны ведут себя как любые другие фундаментальные частицы и поэтому потенциально способны превращаться в другие частицы.
Группа исследователей решила проверить эту гипотезу, не используя «никаких физических явлений, кроме стандартной модели физики элементарных частиц и гравитации Эйнштейна», говорят они. Для этого они сосредоточились на условиях ранней Вселенной, в то время, когда не существовало никакой структуры (ни звезд, ни галактик) и когда вся материя и энергия были сгруппированы вместе в чрезвычайно плотный и плотный объем. В этих особых условиях, насчитывающих более 13 миллиардов лет, гравитационные волны должны были сыграть важную роль в эволюции нашей Вселенной.
Гравитационные волны — предсказанные Эйнштейном в 1916 году и впервые обнаруженные в 2015 году — обычно очень слабые, с частотой от нескольких кГц до нескольких нГц. Они «способны переместить атом на расстояние, меньшее, чем ширина его собственного ядра«, — пишет . Такое космическое событие, как столкновение двух черных дыр, приводит к крошечному смещению, порядка 10-18 метров, в интерферометрических детекторах. Физики утверждают, что в ранней Вселенной эти волны могли быть гораздо мощнее.
Эти первичные гравитационные волны, излучаемые во всех направлениях, должны были усиливаться, вовлекая в свои колебания всю материю на своем пути. Этот эффект резонанса способствовал бы взаимодействию между различными элементарными частицами и образованию первых составных частиц, за которыми последовали первые атомные ядра.
Условия, способствующие большему резонансу
Но эти волны также могли оказать влияние на окружающее электромагнитное поле, подняв это излучение до чрезвычайно высоких энергий, вплоть до того, чтобы вызвать спонтанное появление фотонов. «Гравитационные волны вызывают осциллирующие члены в уравнениях движения для всех полей материи. В случае безмассовых полей материи, таких как фотон, ожидается, что гравитационные волны могут вызывать неустойчивости. Эти неустойчивости, в свою очередь, будут вытягивать энергию из гравитационных волн«, — объясняют исследователи.
Команда сообщает, что, согласно их расчетам, они действительно обнаружили эффект резонанса, но в вакууме он очень слаб: резонанс возникает только во второй резонансной полосе и поэтому очень неэффективен. Кроме того, из-за расширения Вселенной гравитационные волны недолговечны. Напротив, в среде, где электромагнитные волны двигались бы гораздо медленнее, резонанс мог бы быть гораздо сильнее, объясняют исследователи.
Другими словами, если ранняя Вселенная содержала достаточно материи и была достаточно плотной, чтобы скорость света уменьшилась, гравитационные волны могли сохраняться достаточно долго, чтобы генерировать больше фотонов. Таким образом, гравитация могла создать свет, существенно повлияв на все формирование материи и эволюцию Вселенной. «Наш результат — это первый шаг к изучению возможных последствий преобразования гравитационных волн посредством параметрического резонанса в космологии и астрофизике«, — заключают авторы .