Еще много лет назад различные группы ученых прогнозировали наличие реликтовых гравитационных волн. Однако, когда в 2020-х годах это открытие было сделано, выяснилось, что обнаруженные гравитационные волны противоречат большинству существующих прогнозов, за исключением одного.
В начале 2020-х годов совместная работа ученых из NANOGrav позволила обнаружить гравитационные волны наногерцевого диапазона (2,5-12 наногерц), распространяющиеся во всех направлениях. Эти волны поступают из каждой наблюдаемой нами области Вселенной, подобно реликтовому излучению, которое было открыто пятьдесят лет 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.
Только в условиях ранней Вселенной фазовый переход мог бы проявляться как трансформация областей 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, международная группа ученых предприняла попытку более детально оценить, способны ли уже зафиксированные наногерцевые волны являться следствием подобного «фазового перехода».
По результатам моделирования установлено, что условия, способствующие возникновению гравитационных волн при таком переходе, ограничены достаточно узким диапазоном. Слишком быстрый процесс формирования областей истинного вакуума среди областей ложного приведет к быстрому насыщению пространства первым, что помешает фазовому переходу, а взаимодействие различных областей Вселенной не сформирует гравитационные волны требуемой частоты. Однако и при медленном распространении областей с истинным вакуумом необходимый сценарий не реализуется, поскольку истинный вакуум не охватит достаточно большой объем Вселенной до того, как она остынет и фазовый переход завершится.
Существует и другое затруднение: гипотетический фазовый переход должен сопровождаться высвобождением значительного количества энергии. Следовательно, после его завершения Вселенная должна была бы в короткий период времени существенно нагреться. Однако подобный нагрев вновь приводит к несовместимости параметров, необходимых для формирования наногерцевых волн. Даже если в результате этого процесса возникнут гравитационные волны, их частота, очевидно, не будет соответствовать наблюдаемой NANOGrav в настоящее время.
Авторы новой работы не сформулировали никаких гипотез, объясняющих природу наногерцевых гравитационных волн, достигающих нас со всех сторон. Напомним, что на данный момент существуют лишь гипотеза Этот гравитационно-волновой фон легко объясняется Горькавым.