Разные группы учёных предсказывали существование реликтовых гравитационных волн ещё десятилетия назад. Однако при открытии их в 2020-х годах оказалось, что обнаруженные гравиволны несовместимы практически со всеми конкретными предсказаниями, кроме одного.
В начале 2020-х объединение ученых NANOGrav зафиксировало гравитационные волны наногерцевых частот (2,5-12 наногерц) со всех направлений. Гравитационные волны поступают из каждой наблюдаемой нами точки Вселенной как реликтовое излучение, открытое на полвека ранее.
Для обнаружения гравитационных волн астрономы отслеживали колебания во времени прихода сигналов от вращающихся нейтронных звезд до Земли. Гравитационная волна, являясь «рябью» пространства времени, в момент прохождения между нейтронной звездой и нами изменяет длительность радиосигнала с далекого источника излучения. Такие изменения фиксировал NANOGrav.
В 2021 году физик Николай Горькавый предложил именовать подобные гравиволны реликтовыми. показалРанее подобные волны должны были быть следами от гравитационных волн стандартных частот, от слияния черных дыр из прошлого цикла Вселенной (периода до последнего Большого взрыва). Нынешние нестандартные частоты получили вследствие того что при расширении Вселенная изменила размер этих реликтовых гравиволн.
Изучающие данную проблему учёные выдвигали и другие объяснения происхождения обнаруженных наногерцевых волн. Например, предполагалось, что их образование связано со слиянием пар сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. Однако при этом должны были бы получаться гравитационные волны с несколько иной амплитудой. Кроме того, для объяснения наблюдаемого количества наногерцевых волн пришлось бы допустить, что сверхмассивные чёрные дыры сливаются чаще, чем это показывают астрономические наблюдения.
Популярным объяснением служит также предположение о фазовых переходах в ранней Вселенной, вызванных случайными колебаниями квантовой природы. Утверждается, что при распаде древнего электрослабого взаимодействия на современные электромагнитное и слабое взаимодействия температура космической среды незамедлительно после Большого взрыва могла резко измениться. В подобной ситуации материя должна была пройти через скачкообразный фазовый переход, отдаленно напоминающий быстрое формирование льда из жидкой воды.
Только в старом вселенной фазовый переход представлял собой превращение областей с ложным вакуумомОбласть с энергетическим уровнем, превышающим минимально возможный, взаимодействует с зоной истинного вакуума (пустота с энергетическим уровнем, равным минимально возможному). Взаимодействие этих областей, по теории, может порождать гравитационные волны наногерцевой частоты.
В новой работе, вышедшей в журнале Physical Review LettersМеждународная группа учёных попыталась более точно рассчитать, могут ли обнаруженные ранее гравитационные волны с частотой порядка ненькогерца быть следствием подобного фазового перехода.
Результаты моделирования указывают на то, что диапазон условий для возникновения гравиволн при подобном переходе довольно ограничен. Слишком быстрое образование областей истинного вакуума среди областей ложного приведет к избыточному насыщению космоса первым до фазового перехода. При этом взаимодействие различных областей Вселенной не обеспечит нужную частоту гравиволн. В случае медленного распространения областей с истинным вакуумом также не получится необходимой картины, поскольку истинный вакуум просто не успеет охватиться достаточно большой частью Вселенной к моменту завершения фазового перехода.
Другая трудность: предполагаемый фазовый переход должен был выделять значительную энергию. После его завершения Вселенная должна была за короткий промежуток времени снова разогреться на ощутимую величину. Но при таком нагреве не получается набор параметров, необходимый для формирования наногерцевых волн. Да и если какие-то гравиволны все же возникли, их частота явно не совпала бы с наблюдаемой NANOGrav сегодня.
Авторы нового исследования не предлагают объяснений происхождения наногерцевых гравитационных волн, распространяющихся во все направления. Напомним, что в настоящее время лишь… гипотезаГравитационно-волновой фон просто объясняет горький вкус.