Håb om Big Bang-opdagelser rider på et fremtidigt rumfartøj | Quanta Magasinet

Ved en konference i Japan for nogle år siden, David Dunsky deltog i et foredrag om gravitationsbølger, krusninger i rum-tidens stof skabt, når massive objekter som stjerner og sorte huller accelererer.

Dunsky var en kandidatstuderende i partikelfysik på det tidspunkt, og hans interesser lå tilsyneladende andre steder. Partikelfysikere søger den mere grundlæggende sandhed, der ligger til grund for de fysiske regler, vi er bekendt med. De har længe brugt højenergipartikelkollidere til at teste deres ideer. Ved at smadre partikler sammen med uudgrundelige energier kan disse videnskabsmænd opdage byggestenene i byggestenene - de højenergifænomener, der sker på korte afstande. Disse fænomener fortæller os også om de tidligste øjeblikke af universet, hvor det var lille, tæt og utroligt varmt.

Men Dunsky lærte under foredraget, at fremtidige gravitationsbølgeobservatorier som den foreslåede Laser Interferometer Space Antenna (LISA) kunne bruges til at undersøge højenergifysik. LISA ville være i stand til at detektere hypotetiske objekter kaldet kosmiske strenge, enorme tråde af koncentreret energi, der kunne være opstået under universets fødsel. "Jeg blev hooked på at forsøge at forstå gravitationsbølgesignaler fra det tidlige univers," sagde Dunsky, som nu er kosmolog og partikelfysiker ved New York University, "og hvordan de kunne fortælle os om meget, meget højenergifysik potentielt langt væk. ud over, hvad vi i øjeblikket kan detektere med en kolliderer."

Hans drejning mod gravitationsbølger som en vej frem for partikelfysikken eksemplificerer en voksende interesse for det fremtidige LISA-eksperiment og måske et bredere skift. Der er gået 2012 år siden den sidste større opdagelse ved en partikelkolliderer. Opdagelsen af ​​Higgs-bosonen ved Large Hadron Collider (LHC) i XNUMX fuldendte standardmodellen for partikelfysik, den herskende teori om de kendte elementarpartikler og kræfter. Og mens teoretikere siden har udtænkt en zoologisk have af mulige teorier, der udvider standardmodellen, er det ikke klart, at vi kan bygge kollidere, der er i stand til at teste disse ideer.

"Folk taler om at bygge kollidere i de næste 50 år, der er 10 gange stærkere end LHC med hensyn til energi," sagde Raman Sundrum, en teoretisk partikelfysiker ved University of Maryland. Men at teste store forenede teorier, som sporer de tre kræfter i standardmodellen til en enkelt underliggende kraft, der opererer på kortere afstande, "synes at tage en kolliderer, som har 10 milliarder gange energien af ​​LHC," sagde han.

Hvad vi ikke kan producere i en kolliderer, kan vi måske observere i naturen. Specifikt kan svarene ligge i gravitationsekkoerne af processer, der udspillede sig i skabelsens første øjeblikke, hvor universet var så energisk, at fysik hinsides Standardmodellen ville have regeret.

Det er håbet hos partikelfysikere som Dunsky og Sundrum, som nu søger til LISA for at teste deres teorier. Missionskonceptet blev først udviklet i begyndelsen af ​​1980'erne og blev formelt foreslået for European Space Agency (ESA) det følgende årti. Projektet blev forfulgt i samarbejde med NASA i en periode, men amerikanerne bøjede sig i 2011 på grund af budgetproblemer, hvilket tvang Europa til at gå alene. I januar fik LISA dog endelig grønt lys fra ESA, som nu er ved at finde industripartnere for at påbegynde byggeriet. Udmeldingen kommer efter den bragende succes i 2015 og 2016 af en pilotmission, LISA Pathfinder, som testede det fremtidige observatoriums nøgleteknologier.

LISA er nu planlagt til at flyve i 2030'erne. I fire år vil dens række af tre satellitter tumle gennem rummet i en ligesidet trekant på omkring millioner miles på tværs, og kaste lasere fra de gyldne terninger, der holdes i perfekt frit fald inden for hvert fartøj for at mærke efter krusninger i rumtiden.

"For første gang kan vi faktisk få noget direkte fra den meget tidlige epoke" af universet, sagde Isabel Garcia Garcia, en partikelfysiker og kosmolog ved University of Washington. Hvis LISA virkelig kan opfange primordiale gravitationsbølger, tilføjede hun, vil det være vores første glimt af kosmos første øjeblikke. "Fra et partikelfysisk synspunkt er det selvfølgelig utroligt spændende."

Heldig LISA

Hvis LISA faktisk formår at opdage primordiale gravitationsbølger engang i næste årti, vil det være på grund af et ekstraordinært kosmisk held.

Intet teleskop vil nogensinde afsløre de første øjeblikke af skabelsen. Teleskoper ser ind i universets fortid ved at detektere lys, der er rejst langt væk. Men de første 380,000 år efter Big Bang er gemt bag en slags kosmisk gardin. Dengang var universet fyldt med ioniseret plasma, der spredte fotoner, hvilket gjorde det uigennemsigtigt for lys.

I modsætning til lys kunne gravitationsbølger bølge frit gennem det tidlige univers. Eksisterende jordbaserede observatorier som LIGO og Jomfruen er sandsynligvis ikke følsomme over for disse primordiale bølger. Men LISA kan måske høre, hvad der skete på scenen, før det kosmiske gardin rejste sig.

"Det er som at høre noget i tågen," sagde Sundrum.

Ligesom jordbaserede gravitationsbølgeobservatorier vil LISA detektere krusninger i rum-tid ved at bruge lasere til præcist at måle afstanden langs dens "arme" - i dette tilfælde linjerne i det tomme rum mellem de tre rumfartøjer i dens trekantede konstellation. Når en gravitationsbølge passerer forbi, strækker den sig og trækker rumtiden sammen. Dette skaber en lille forskel i LISA's armlængder, som instrumentet kan detektere ved at spore fejljusteringen af ​​spidserne og dalene af dets laserstråler. Fjernet fra Jordens støjende miljø vil LISA være langt mere følsom end eksisterende interferometre som LIGO, som er blevet brugt til at detektere sorte hul- og neutronstjernekollisioner. Den bliver også langt større; hver af dens arme vil være næsten 400 gange længere end Jordens radius.

Alligevel er ændringerne i afstanden, som LISA vil føle, ekstremt små - omkring 50 gange mindre end et atom. "Det er et ret skørt koncept, hvis du tænker over det," sagde Nora Lützgendorf, en astrofysiker ved ESA og en LISA-projektforsker.

LISAs størrelse og følsomhed vil gøre det muligt for den at observere gravitationsbølger, der er meget længere end dem, der kan observeres af jordbaserede interferometre. LIGO kan fornemme gravitationsbølger med bølgelængder mellem omkring 30 og 30,000 kilometer, men LISA kan opfange bølger i længder fra et par hundrede tusinde kilometer til et par milliarder. Dette vil lade LISA lytte til astrofysiske begivenheder, som jordbaserede observatorier ikke kan "høre", såsom fusioner af supermassive sorte huller (i modsætning til sorte huller på størrelse med stjerne). Og LISAs bølgelængdebånd er tilfældigvis også præcis den størrelse, som fysikere forventer af gravitationsbølger genereret i de første øjeblikke efter Big Bang.

Højenergifysik i det tidlige univers skabte gravitationsbølger, og da universet udvidede sig og rummet strakte sig, blev disse bølger blæst op til enorme dimensioner. LISA er tilfældigvis perfekt klar til at fange bølger skabt i de første 10^-17 til 10^-10 sekunder efter Big Bang - praktisk talt i begyndelsen af ​​tid. Den korte ende af det interval, 10^-17 sekunder, er en periode så kort, at den ville passe lige så mange gange ind i et sekund, som sekunder passer ind i universets alder.

"Der er denne serendipity," sagde Chiara Caprini, en teoretisk kosmolog ved universitetet i Genève og CERN. Der er et match mellem "detektionsfrekvensbåndet for LISA og denne særlige epoke i universets udvikling, som markerer grænsen for vores viden om partikelfysik."

Ud over standardmodellen

Op til den grænse gør Standardmodellen et fremragende stykke arbejde med at forklare, hvordan dens flok af 17 elementære partikler interagerer med tre kræfter: den elektromagnetiske kraft, den stærke kernekraft og den svage kernekraft. Men på trods af dets enorme succeser er der ingen, der tror, ​​at disse partikler og kræfter er tilværelsens alt og ende.

Teorien har sine mangler. For eksempel massen af ​​Higgs bosonen — den komponent af standardmodellen, der bestemmer massen af ​​andre partikler — er frustrerende "unaturligt." Det virker vilkårligt og forvirrende lille sammenlignet med universets langt større energiskalaer. Desuden giver standardmodellen ingen forklaring på mørkt stof eller for mystisk mørk energi der driver den accelererende udvidelse af rummet. Et andet problem er, at antistof og stof opfører sig nøjagtigt det samme under standardmodellens tre kræfter - hvilket åbenbart ikke er hele historien, da stof dominerer universet. Og så er der tyngdekraften. Standardmodellen ignorerer fuldstændig den fjerde fundamentale kraft, som skal beskrives ved hjælp af sin egen skræddersyede teori, generel relativitet.

"Så mange teoretikere som mig har forsøgt at presse standardmodellen en lille smule og forsøge at lave udvidelser af den," sagde Pierre Auclair, en teoretisk kosmolog ved det katolske universitet i Louvain i Belgien. Men uden eksperimentelle beviser til at teste dem med, forbliver disse udvidede teorier, ja, teoretiske.

Auclair er teoretiker. "Men stadig, jeg forsøger at blive forbundet med eksperimenter, så meget jeg kan," sagde han. Det er en af ​​grundene til, at han blev tiltrukket af LISA. "Disse udvidelser fører normalt til forskellige ekstreme begivenheder i det tidlige univers," sagde han.

Garcia Garcia sagde ligeledes, at LISAs løfte om observationsbevis for højenergifysik fik hende til at gentænke sin karriere - gravitationsbølger kunne "sondere det tidlige univers på en måde, som intet andet eksperiment kan," sagde hun. For et par år siden begyndte hun at studere gravitationsbølger og hvordan fysik ud over standardmodellen ville efterlade fingeraftryk, der kunne detekteres af LISA.

Sidste år, Garcia Garcia og hendes kolleger udgivet værk på boblevæggenes gravitationsbølgesignatur - energiske barrierer mellem rumlommer, der blev fanget i forskellige tilstande, efterhånden som universet afkølede. Denne afkøling skete, mens universet udvidede sig. Ligesom vand koger og bliver til damp, gennemgik universet faseovergange. I standardmodellen var faseovergangen, hvorunder en enkelt "elektrosvag" kraft delte sig i separate elektromagnetiske og svage kræfter, relativt jævn. Men mange udvidelser af teorien forudsiger voldelige begivenheder, der efterlod den kosmiske suppe skummende og forstyrret, sagde Dunsky, der også studerer topologiske defekter som boblevægge.

Kvantefelter, der gennemsyrer vores univers, har minimumsenergitilstande eller grundtilstande. Og efterhånden som universet kølede af, udviklede der sig nye grundtilstande med lavere energi, men et givet felt landede ikke altid umiddelbart i sin nye grundtilstand. Nogle blev fanget i lokale energiminima - falske jordtilstande, der kun ser stabile ud. Nogle gange ville et lille stykke af universet dog kvantetunnel ind i den sande tilstand og danne en hurtigt ekspanderende boble af ægte vakuum med en lavere energi end universet udenfor.

“Disse bobler er meget energiske; de bevæger sig meget tæt på lysets hastighed på grund af denne trykforskel mellem deres indre og ydre,” sagde Dunsky. "Så når de kolliderer, får du denne voldsomme kollision mellem disse to meget relativistiske objekter, der lidt ligner hvordan sorte huller udsender stærke gravitationsbølger lige før de kolliderer."

Strenge og vægge

Mere spekulativt kunne faseovergange i det tidlige univers også have skabt strukturer kaldet kosmiske strenge og domænevægge - henholdsvis enorme strenge og ark af tæt energi.

Disse strukturer opstår, når et kvantefelts grundtilstand ændres på en sådan måde, at der er mere end én ny grundtilstand, der hver især er lige gyldige. Dette kan resultere i højenergidefekter langs grænserne mellem lommer i universet, der tilfældigvis faldt i forskellige, men lige så gunstige, grundtilstande.

Processen er lidt ligesom den måde, visse sten udvikler naturlig magnetisme, når de afkøles, sagde Dunsky, der har studerede de observerbare fingeraftryk af processen. Ved høje temperaturer er atomer tilfældigt orienteret. Men ved kølige temperaturer bliver det energisk gunstigt for dem at magnetisk justere - grundtilstanden ændrer sig. Uden et eksternt magnetfelt til at orientere atomerne, er de frie til at stille sig op ad hvilken som helst måde. Alle "valg" er lige gyldige, og forskellige domæner af mineralet vil tilfældigt træffe forskellige valg. Det magnetiske felt, der genereres af alle atomerne, bøjer sig dramatisk ved grænserne mellem domæner.

På samme måde må kvantefelterne i forskellige områder af universet "ændre sig hurtigt ved grænsen" af disse domæner, sagde han, hvilket resulterer i store energitætheder ved disse grænser, der "betyder tilstedeværelsen af ​​en domænevæg eller kosmisk streng."

Disse kosmiske strenge og domænevægge, hvis de eksisterede, ville have strakt sig ud til at spænde over praktisk talt hele universet, efterhånden som rummet udvidede sig. Disse objekter producerer gravitationsbølger, når knæk forplanter sig langs dem, og når sløjfer svinger og danner spidser. Men energiskalaerne for disse bølger blev for det meste sat som de objekter, der blev dannet i de første øjeblikke af universet. Og LISA kunne opdage dem, hvis de eksisterer.

Ekkoer af skabelse

De gravitationsbølger, der når os fra det meget tidlige univers, vil ikke ankomme i pænt pakket kvidren, som signalerne om sorte hul-kollisioner. Fordi de skete så tidligt i tiden, er sådanne signaler siden blevet strakt ud over hele rummet. De vil ekko fra alle retninger, fra hvert punkt i rummet, alt på én gang - en baggrundsgravitationel brummen.

"Du tænder for din detektor, og den er der altid," sagde Garcia Garcia.

Mønstre i denne baggrund ville sandsynligvis "bare ligne støj for den gennemsnitlige person," sagde Sundrum. "Men i hemmelighed er der en skjult kode."

Et vigtigt fingerpeg vil være baggrundssignalets spektrum - dets styrke ved forskellige frekvenser. Hvis vi tænker på et gravitationsbølgesignal som lyd, ville dets spektrum være et plot af tonehøjde versus volumen. Virkelig tilfældig hvid støj ville have et fladt spektrum, sagde Auclair. Men gravitationsbølger udløst under faseovergange eller støbt fra kosmiske strenge eller domænevægge ville være højest ved specifikke frekvenser. Auclair har arbejdet på at beregne de spektrale signaturer af kosmiske strenge, som kaster gravitationsbølger ud ved karakteristiske bølgelængder, når deres knæk og sløjfer udvikler sig. Og Caprini undersøgelser hvordan voldsomme faseovergange ville sætte deres eget præg på gravitationsbølgebaggrunden.

En anden tilgang, som Sundrum og hans kolleger skitseret i 2018 , for nylig uddybet, ville være at forsøge at kortlægge den overordnede intensitet af baggrunden hen over himlen. Dette ville gøre det muligt at lede efter anisotropier eller patches, der bare er en lille smule højere eller mere støjsvage end gennemsnittet.

"Problemet," sagde Caprini, "er, at denne slags signal har praktisk talt de samme karakteristika som instrumentstøjen. Så hele spørgsmålet er, hvordan man kan skelne det, når vi opdager noget."

LISA er mere som en mikrofon end et teleskop. I stedet for at kigge i en bestemt retning, vil den lytte til hele himlen på én gang. Den vil høre primordiale gravitationsbølger, hvis de er til stede. Men den vil også høre kvidren og hylen fra sammensmeltende sorte huller, neutronstjerner og de mange par hvide dværgstjerner i vores galakse. For at LISA kan detektere en baggrund af primordiale gravitationsbølger, skal alle andre signaler omhyggeligt identificeres og fjernes. At bortfiltrere det sande signal fra det tidlige univers vil være som at udvælge lyden af ​​en forårsbrise på en byggeplads.

Men Sundrum vælger at være håbefuld. "Vi er ikke skøre efter at lave forskningen," sagde han. "Det bliver svært for eksperimenter. Det vil være svært for offentligheden at betale for de forskellige ting, der skal gøres. Og det vil være svært for teoretikere at beregne deres vej forbi alle usikkerheder og fejl og baggrunde og så videre."

Men alligevel, tilføjede Sundrum, "det ser ud til at være muligt. Med lidt held.”