Suure Paugu avastuste lootused sõidavad tulevase kosmoseaparaadiga | Quanta ajakiri

Mõni aasta tagasi Jaapanis toimunud konverentsil David Dunsky osales kõnel gravitatsioonilainetest, aegruumi lainetustest, mis tekivad massiivsete objektide, nagu tähed ja mustad augud, kiirendamisel.

Dunsky oli tol ajal osakestefüüsika magistrant ja tema huvid olid näiliselt mujal. Osakestefüüsikud otsivad meile tuttavate füüsikareeglite aluseks olevat fundamentaalsemat tõde. Nad on pikka aega kasutanud oma ideede testimiseks suure energiatarbega osakeste põrkajaid. Osakesi mõõtmatu energiaga kokku purustades saavad need teadlased avastada ehitusplokkide ehitusplokke – suure energiatarbega nähtusi, mis toimuvad lühikese vahemaa skaalal. Need nähtused räägivad meile ka universumi varasematest hetkedest, mil see oli pisike, tihe ja uskumatult kuum.

Kuid Dunsky sai jutu käigus teada, et tulevasi gravitatsioonilainete vaatluskeskusi, nagu kavandatud laserinterferomeetri kosmoseantenn (LISA), saab kasutada suure energiaga füüsika uurimiseks. LISA oleks võimeline tuvastama hüpoteetilisi objekte, mida nimetatakse kosmilisteks stringideks, tohutuid kontsentreeritud energiakihte, mis võisid tekkida universumi sünni ajal. "Mind haaras kinni püüdlus mõista varase universumi gravitatsioonilainete signaale," ütles Dunsky, kes on praegu New Yorgi ülikooli kosmoloog ja osakeste füüsik, "ja kuidas nad võiksid meile rääkida väga-väga suure energiaga füüsikast, mis võib olla kaugel. kaugemale sellest, mida me põrkuriga praegu tuvastada suudame.

Tema pööre gravitatsioonilainete poole kui osakeste füüsika edasiminek näitab kasvavat huvi tulevase LISA katse vastu ja võib-olla laiemat nihet. 2012 aastat on möödunud viimasest suuremast avastusest osakeste põrkajal. Higgsi bosoni avastamine suures hadronite põrgatis (LHC) XNUMX. aastal viis lõpule osakeste füüsika standardmudeli, tuntud elementaarosakeste ja jõudude valitseva teooria. Ja kuigi teoreetikud on sellest ajast peale välja mõelnud standardmudelit laiendavate võimalike teooriate loomaaia, pole selge, kas suudame ehitada põrkeid, mis suudavad neid ideid testida.

"Inimesed räägivad kokkupõrgete ehitamisest järgmise 50 aasta jooksul, mis on energia poolest 10 korda võimsamad kui LHC," ütles ta. Raman Sundrum, Marylandi ülikooli teoreetiline osakeste füüsik. Kuid suurte ühtsete teooriate testimine, mis jälgivad standardmudeli kolme jõudu ühe lühematel vahemaadel töötavale alusjõule, "näib, et kuluks kokkupõrkele, mille energia on 10 miljardit korda suurem kui LHC", ütles ta.

Seda, mida me põrkeris toota ei suuda, saame ehk looduses jälgida. Täpsemalt võivad vastused peituda protsesside gravitatsioonikajades, mis avanesid loomise esimestel hetkedel, kui universum oli nii energiline, et standardmudelist kaugemale jääv füüsika oleks valitsenud.

Seda loodavad osakestefüüsikud nagu Dunsky ja Sundrum, kes otsivad nüüd LISA-t, et oma teooriaid testida. Missioonikontseptsioon töötati esmakordselt välja 1980. aastate alguses ja järgmisel kümnendil esitati see ametlikult Euroopa Kosmoseagentuurile (ESA). Projekti teostati mõnda aega koostöös NASAga, kuid ameeriklased loobusid 2011. aastal eelarveprobleemide tõttu, sundides Euroopat üksi hakkama saama. Tänavu jaanuaris sai LISA aga lõpuks ESA-lt loa, kes otsib nüüd ehituse alustamiseks tööstuspartnereid. Teade tuli pärast 2015. ja 2016. aasta pilootmissiooni LISA Pathfinder, mis testis tulevase observatooriumi võtmetehnoloogiaid, silmapaistvat edu.

LISA peaks nüüd lendama 2030. aastatel. Selle kolmest satelliidist koosnev massiiv libiseb nelja aasta jooksul läbi kosmose mõne miljoni miili laiuse võrdkülgse kolmnurgana, põrgatades lasereid igas veesõidukis täiuslikus vabas langemises hoitud kuldkuubikutelt, et tunda aegruumi lainetust.

"Esimest korda võime tegelikult saada midagi otse sellest universumi väga varasest ajastust," ütles Isabel Garcia Garcia, osakeste füüsik ja kosmoloog Washingtoni ülikoolist. Kui LISA tõesti suudab ürgseid gravitatsioonilaineid tabada, lisas ta, on see meie esimene pilguheit kosmose esimestele hetkedele. "Osakeste füüsika seisukohast on see ilmselgelt uskumatult põnev."

Õnnelik LISA

Kui LISA-l tõepoolest õnnestub järgmisel kümnendil ürgseid gravitatsioonilaineid tuvastada, on selle põhjuseks erakordne kosmiline õnn.

Ükski teleskoop ei paljasta kunagi loomise esimesi hetki. Teleskoobid näevad universumi minevikku, tuvastades kaugelt liikunud valguse. Kuid esimesed 380,000 XNUMX aastat pärast Suurt Pauku on peidetud mingi kosmilise eesriide taha. Tol ajal oli universum täidetud ioniseeritud plasmaga, mis hajutas footoneid, muutes selle valguse suhtes läbipaistmatuks.

Erinevalt valgusest võisid gravitatsioonilained vabalt läbi varase universumi lainetada. Olemasolevad maapealsed vaatluskeskused, nagu LIGO ja Virgo, ei ole tõenäoliselt nende ürglainete suhtes tundlikud. Kuid LISA võib kuulda, mis laval juhtus, enne kui kosmiline eesriie tõusis.

"See on nagu udus midagi kuulda," ütles Sundrum.

Nagu maapealsed gravitatsioonilainete vaatluskeskused, tuvastab LISA aegruumi lainetust, kasutades lasereid, et mõõta täpselt kaugust piki oma "käsivarsi" - antud juhul jooni tühjas ruumis kolmnurkse tähtkuju kolme kosmoselaeva vahel. Kui gravitatsioonilaine möödub, siis see venib ja tõmbub kokku aegruumi. See loob väikese erinevuse LISA käe pikkustes, mida instrument saab tuvastada, jälgides laserkiirte tippude ja sügavuste ebaühtlust. Maa mürarikkast keskkonnast eemaldatuna on LISA palju tundlikum kui olemasolevad interferomeetrid, nagu LIGO, mida on kasutatud musta augu ja neutrontähtede kokkupõrgete tuvastamiseks. See on ka palju suurem; iga selle haru on peaaegu 400 korda pikem kui Maa raadius.

Sellegipoolest on muutused kauguses, mida LISA tunneb, äärmiselt väikesed - umbes 50 korda väiksemad kui aatom. "See on üsna hull kontseptsioon, kui järele mõelda," ütles Nora Lützgendorf, ESA astrofüüsik ja LISA projekti teadlane.

LISA suurus ja tundlikkus võimaldavad tal jälgida gravitatsioonilaineid, mis on palju pikemad kui maapealsete interferomeetritega jälgitavad. LIGO suudab tajuda gravitatsioonilaineid lainepikkusega umbes 30–30,000 XNUMX kilomeetrit, kuid LISA suudab tabada laineid, mille pikkus ulatub mõnesajast tuhandest kilomeetrist mõne miljardini. See võimaldab LISA-l kuulata astrofüüsikalisi sündmusi, mida maapealsed vaatluskeskused ei kuule, näiteks ülimassiivsete mustade aukude ühinemised (erinevalt tähesuurustest mustadest aukudest). Ja LISA lainepikkusriba on samuti täpselt selline, nagu füüsikud ootavad gravitatsioonilainetelt, mis tekivad esimestel hetkedel pärast Suurt Pauku.

Varase universumi suure energiaga füüsika tekitas gravitatsioonilisi lainetusi ning kui universum laienes ja ruum venis, paiskusid need lained tohututesse mõõtmetesse. LISA on lihtsalt suurepäraselt valmis püüdma esimese 10 jooksul loodud laineid^-17 to 10^-10 sekundit pärast Suurt Pauku — praktiliselt aegade alguses. Selle vahemiku lühike ots, 10^-17 sekundit, on nii lühike periood, et see mahuks umbes sama palju kordi sekundisse, kui sekundeid mahub universumi vanusesse.

"Seal on see vaprus," ütles Chiara Caprini, Genfi ülikooli ja CERNi teoreetiline kosmoloog. "LISA tuvastamise sagedusriba ja selle konkreetse universumi evolutsiooni epohhi vahel, mis tähistab meie osakeste füüsikaalaste teadmiste piiri, on sobivus".

Väljaspool standardmudelit

Kuni selle piirini teeb standardmudel suurepärast tööd selgitamaks, kuidas selle 17 elementaarosakest koosnev parv interakteeruvad kolme jõuga: elektromagnetiline jõud, tugev tuumajõud ja nõrk tuumajõud. Kuid hoolimata tohututest edusammudest ei arva keegi, et need osakesed ja jõud on eksistentsi kõik ja lõpp.

Teoorial on omad vead. Näiteks Higgsi bosoni mass — standardmudeli komponent, mis määrab teiste osakeste massid — on masendav "ebaloomulik.” See tundub meelevaldne ja mõistatuslikult väike võrreldes universumi palju suuremate energiaskaaladega. Lisaks ei paku standardmudel seletust tumeainele ega ka sellele salapärane tume energia mis juhib ruumi kiirenevat laienemist. Teine probleem on see, et antiaine ja mateeria käituvad standardmudeli kolme jõu mõjul täpselt samamoodi – see pole ilmselgelt kogu lugu, kuna universumis domineerib aine. Ja siis on gravitatsioon. Standardmudel ignoreerib täielikult neljandat põhijõudu, mida tuleb kirjeldada omaenda tellitud teooriaga, üldrelatiivsusteooriaga.

"Nii et paljud minusugused teoreetikud on proovinud standardmudelit pisut pigistada ja seda laiendada," ütles Belgia Louvaini katoliku ülikooli teoreetiline kosmoloog Pierre Auclair. Kuid ilma eksperimentaalsete tõenditeta, millega neid testida, jäävad need laiendatud teooriad teoreetiliseks.

Auclair on teoreetik. "Kuid sellegipoolest üritan mind võimalikult palju katsetega siduda," ütles ta. See on üks põhjus, miks ta LISA poole tõmbas. "Need laiendused põhjustavad tavaliselt varajases universumis erinevaid äärmuslikke sündmusi, " ütles ta.

Garcia Garcia ütles samuti, et LISA lubadus suure energiaga füüsika vaatluste kohta pani ta oma karjääri ümber mõtlema - gravitatsioonilained võivad "varajast universumit uurida viisil, mida ükski teine ​​​​katse ei suuda", ütles ta. Mõni aasta tagasi hakkas ta uurima gravitatsioonilaineid ja seda, kuidas standardmudelist kaugemale jääv füüsika jätab LISA abil tuvastatavad sõrmejäljed.

Eelmisel aastal Garcia Garcia ja tema kolleegid avaldatud teos mullide seinte gravitatsioonilaine all – energeetilised barjäärid ruumitaskute vahel, mis jäid universumi jahtudes erinevatesse olekutesse lõksu. See jahtumine toimus universumi laienedes. Nii nagu vesi keeb ja muutub auruks, läbis universum faasisiirdeid. Standardmudelis oli faasiüleminek, mille käigus üks "elektroekne" jõud jagunes eraldi elektromagnetilisteks ja nõrkadeks jõududeks, suhteliselt sujuv. Kuid paljud teooria laiendused ennustavad vägivaldseid sündmusi, mis jätsid kosmilise supi vahuseks ja häirisid, ütles Dunsky, kes uurib ka topoloogilisi defekte, nagu mulli seinad.

Meie universumit läbistavatel kvantväljadel on minimaalse energiaga olekud ehk põhiolekud. Ja kui universum jahtus, tekkisid uued, madalama energiaga põhiseisundid, kuid antud väli ei maandunud alati kohe oma uude põhiolekusse. Mõned jäid lõksu kohalikesse energiamiinimumitesse – valedesse põhiolekutesse, mis näivad ainult stabiilsed. Mõnikord aga sattus üks väike universumi tükk kvanttunnelisse tegelikku olekusse, tekitades kiiresti laieneva tõelise vaakumimulli, mille energia on madalam kui väljaspool olev universum.

“Need mullid on väga energilised; nad liiguvad valguse kiirusele väga lähedale tänu nende sise- ja välispinna rõhuerinevusele, ”ütles Dunsky. "Nii et kui nad kokku põrkuvad, tekib nende kahe väga relativistliku objekti vahel vägivaldne kokkupõrge, mis on mõnevõrra sarnane sellega, kuidas mustad augud kiirgavad tugevaid gravitatsioonilaineid vahetult enne kokkupõrget."

Stringid ja seinad

Spekulatiivsemalt võisid faasisiired varajases universumis luua ka struktuure, mida nimetatakse kosmilisteks stringideks ja domeeniseinteks – vastavalt tohutuid tiheda energiaga kiude ja lehti.

Need struktuurid tekivad siis, kui kvantvälja põhiseisund muutub nii, et tekib rohkem kui üks uus põhiseisund, millest igaüks on võrdselt kehtiv. See võib põhjustada suure energiaga defekte piki universumi taskute vahelisi piire, mis sattusid erinevatesse, kuid võrdselt soodsatesse põhiolekutesse.

Protsess sarnaneb veidi sellega, kuidas teatud kivimid jahtudes arendavad loomulikku magnetismi, ütles Dunsky, kes on seda teinud uuris jälgitavaid sõrmejälgi protsessist. Kõrgetel temperatuuridel on aatomid juhuslikult orienteeritud. Kuid jahedatel temperatuuridel muutub nende jaoks magnetiliselt joondumine energeetiliselt soodsaks - põhiolek muutub. Ilma välise magnetväljata, mis aatomeid orienteeriks, võivad nad end vabalt joonduda mis tahes viisil. Kõik "valikud" on võrdselt kehtivad ja mineraali erinevad domeenid teevad juhuslikult erinevaid valikuid. Kõikide aatomite tekitatud magnetväli paindub domeenide vahelistel piiridel dramaatiliselt.

Samamoodi peavad tema sõnul universumi erinevates piirkondades olevad kvantväljad nende domeenide piiril kiiresti muutuma, mille tulemuseks on nendel piiridel suured energiatihedused, mis "tähistab domeeniseina või kosmilise stringi olemasolu".

Need kosmilised nöörid ja domeeniseinad, kui need on olemas, oleksid ruumi laienedes välja veninud, et hõlmata praktiliselt kogu universumit. Need objektid tekitavad gravitatsioonilaineid, kui keerdud levivad mööda neid ja kui aasad võnkuvad ja moodustavad kübaraid. Kuid nende lainete energiaskaalad määrati enamasti objektideks, mis tekkisid universumi esimestel hetkedel. Ja LISA suudab need tuvastada, kui need on olemas.

Loomise kajad

Väga varasest universumist meieni jõudvad gravitatsioonilained ei saabu korralikult pakitud piiksudes, nagu signaalid mustade aukude kokkupõrgetest. Kuna need juhtusid nii varajases staadiumis, on sellised signaalid sellest ajast alates levinud üle kogu ruumi. Nad kajavad igast suunast, igast punktist ruumis, kõik korraga – taustal gravitatsiooniline sumin.

"Lülitate oma detektori sisse ja see on alati olemas," ütles Garcia Garcia.

Sellel taustal olevad mustrid näivad tavainimesele tõenäoliselt "lihtsalt mürana", ütles Sundrum. "Kuid salaja on seal peidetud kood."

Üks oluline vihje on taustsignaali spekter - selle tugevus erinevatel sagedustel. Kui mõelda gravitatsioonilaine signaalile kui helile, oleks selle spekter helikõrguse ja helitugevuse graafik. Tõeliselt juhuslikul valgel müral oleks lame spekter, ütles Auclair. Kuid gravitatsioonilained, mis vallanduvad faasisiirete ajal või kosmilistest stringidest või domeeniseintest, oleksid kindlatel sagedustel kõige valjemad. Auclair on tegelenud kosmiliste stringide spektraalsignatuuride arvutamisega, mis paiskavad gravitatsioonilaineid välja iseloomulike lainepikkustega, kui nende kõverad ja silmused arenevad. Ja Caprini uuringud kuidas vägivaldsed faasisiirded jätaksid gravitatsioonilainete taustale oma jälje.

Teine lähenemine, mida Sundrum ja tema kolleegid kirjeldatud 2018. aastal ja hiljuti välja töötatud, oleks püüda kaardistada tausta üldist intensiivsust üle taeva. See võimaldaks otsida anisotroope ehk laike, mis on keskmisest veidi valjemad või vaiksemad.

"Probleem," ütles Caprini, "sellel signaalil on praktiliselt samad omadused kui instrumendi müra. Seega on kogu küsimus selles, kuidas seda eristada, kui oleme midagi tuvastanud.

LISA on rohkem nagu mikrofon kui teleskoop. Konkreetses suunas piilumise asemel kuulab see kogu taevast korraga. See kuuleb ürgseid gravitatsioonilaineid, kui need on olemas. Kuid see kuuleb ka meie galaktikas ühinevate mustade aukude, neutrontähtede ja paljude valgete kääbustähtede paaride piiksumist ja ulgumist. Selleks, et LISA tuvastaks ürgsete gravitatsioonilainete tausta, tuleb kõik muud signaalid hoolikalt tuvastada ja eemaldada. Varajase universumi tõelise signaali välja filtreerimine on nagu kevadtuule heli väljavalimine ehitusplatsil.

Kuid Sundrum otsustab olla lootusrikas. "Me pole hullud, et uuringuid teha," ütles ta. "Eksperimentalistide jaoks saab see olema raske. Avalikkusel on raske maksta erinevate asjade eest, mis tuleb ära teha. Ja teoreetikutel on raske arvutada oma teed kõigist ebakindlustest, vigadest, taustast ja nii edasi.

Kuid siiski lisas Sundrum: "See näib olevat võimalik. Väikese õnnega."