امیدهای اکتشافات بیگ بنگ سوار بر فضاپیمای آینده | مجله کوانتا

چند سال پیش در کنفرانسی در ژاپن، دیوید دانسکی در یک سخنرانی در مورد امواج گرانشی، امواج در تار و پود فضا-زمان که هنگام شتاب گرفتن اجرام عظیمی مانند ستاره ها و سیاهچاله ها ایجاد می شود، شرکت کردند.

دانسکی در آن زمان دانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک ذرات بود و علایق او ظاهراً جای دیگری بود. فیزیکدانان ذرات به دنبال حقیقت اساسی تری هستند که زیربنای قوانین فیزیکی ما با آن ها آشناست. آنها مدتهاست که از برخورد دهنده های ذرات پرانرژی برای آزمایش ایده های خود استفاده می کنند. این دانشمندان با کوبیدن ذرات با هم در انرژی های غیرقابل درک، می توانند بلوک های سازنده بلوک های ساختمانی را کشف کنند - پدیده های پر انرژی که در مقیاس های فاصله کوتاه اتفاق می افتد. این پدیده ها همچنین در مورد اولین لحظات جهان که ریز، متراکم و فوق العاده گرم بود به ما می گویند.

اما دانسکی در این سخنرانی متوجه شد که رصدخانه‌های امواج گرانشی آینده مانند آنتن فضایی تداخل سنج لیزری پیشنهادی (LISA) می‌توانند برای کاوش در فیزیک با انرژی بالا مورد استفاده قرار گیرند. LISA می‌تواند اجرام فرضی به نام رشته‌های کیهانی، رشته‌های عظیم انرژی متمرکزی را که ممکن است در طول تولد کیهان پدید آمده باشند، شناسایی کند. دانسکی که اکنون کیهان‌شناس و فیزیکدان ذرات در دانشگاه نیویورک است، گفت: «من در تلاش برای درک سیگنال‌های امواج گرانشی از کیهان اولیه بودم و اینکه چگونه می‌توانستند در مورد فیزیک بسیار بسیار پرانرژی بالقوه دور به ما بگویند. فراتر از چیزی که در حال حاضر می توانیم با برخورد دهنده تشخیص دهیم.»

چرخش او به سمت امواج گرانشی به‌عنوان راهی به جلو برای فیزیک ذرات، نشان‌دهنده علاقه گسترده‌تر به آزمایش LISA در آینده و شاید تغییر گسترده‌تر است. دوازده سال از آخرین کشف بزرگ در برخورد دهنده ذرات می گذرد. کشف بوزون هیگز در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در سال 2012، مدل استاندارد فیزیک ذرات، نظریه حاکم بر ذرات و نیروهای بنیادی شناخته شده را تکمیل کرد. و در حالی که نظریه پردازان از آن زمان باغ وحشی از نظریه های احتمالی برای گسترش مدل استاندارد اندیشیده اند، مشخص نیست که بتوانیم برخورد دهنده هایی بسازیم که قادر به آزمایش این ایده ها باشند.

گفت: "مردم در مورد ساخت برخورد دهنده هایی در 50 سال آینده صحبت می کنند که از نظر انرژی 10 برابر قوی تر از LHC هستند." رامان ساندروم، فیزیکدان نظری ذرات در دانشگاه مریلند. او گفت، با این حال، آزمایش نظریه‌های یکپارچه بزرگ، که نیروهای سه‌گانه مدل استاندارد را به یک نیروی زیربنایی منفرد که در فواصل کوتاه‌تر عمل می‌کند، ردیابی می‌کند، «به نظر می‌رسد برخورددهنده‌ای را بگیرد که 10 میلیارد برابر LHC انرژی دارد.

آنچه را که نمی توانیم در برخورددهنده تولید کنیم، ممکن است بتوانیم در طبیعت مشاهده کنیم. به طور خاص، پاسخ‌ها ممکن است در پژواک‌های گرانشی فرآیندهایی باشد که در اولین لحظات خلقت، زمانی که جهان چنان پرانرژی بود که فیزیک فراتر از مدل استاندارد حاکم بود، آشکار شد.

این امید فیزیکدانان ذرات مانند دانسکی و ساندرام است که اکنون به دنبال LISA برای آزمایش نظریه های خود هستند. مفهوم ماموریت برای اولین بار در اوایل دهه 1980 توسعه یافت و به طور رسمی در دهه بعد به آژانس فضایی اروپا (ESA) پیشنهاد شد. این پروژه برای مدتی با همکاری ناسا دنبال شد، اما آمریکایی‌ها در سال 2011 به دلیل نگرانی‌های بودجه سر تعظیم فرود آوردند و اروپا را مجبور کردند به تنهایی پیش برود. با این حال، در ژانویه امسال، LISA بالاخره مجوز ESA را گرفت، که اکنون شرکای صنعتی را برای شروع ساخت پیدا می کند. این اعلامیه پس از موفقیت چشمگیر در سال 2015 و 2016 یک ماموریت آزمایشی به نام LISA Pathfinder منتشر شد که فناوری های کلیدی رصدخانه آینده را آزمایش کرد.

LISA اکنون قرار است در دهه 2030 پرواز کند. به مدت چهار سال، آرایه‌ای متشکل از سه ماهواره آن در فضا در یک مثلث متساوی الاضلاع به وسعت حدود میلیون‌ها مایل می‌چرخد و لیزرها را از روی مکعب‌های طلایی که در سقوط آزاد کامل در هر فضاپیما نگهداری می‌شوند، پرتاب می‌کنند تا موج‌هایی را در فضا-زمان احساس کنند.

گفت: "برای اولین بار، ممکن است ما در واقع چیزی را مستقیماً از آن دوران بسیار اولیه جهان دریافت کنیم." ایزابل گارسیا گارسیا، فیزیکدان ذرات و کیهان شناس در دانشگاه واشنگتن. او افزود، اگر LISA واقعا بتواند امواج گرانشی اولیه را بگیرد، این اولین نگاه ما به اولین لحظات کیهان خواهد بود. "از نقطه نظر فیزیک ذرات، این به وضوح فوق العاده هیجان انگیز است."

لیزا خوش شانس

اگر واقعاً LISA بتواند امواج گرانشی اولیه را در دهه آینده شناسایی کند، این به دلیل یک شانس فوق‌العاده کیهانی خواهد بود.

هیچ تلسکوپی هرگز اولین لحظات خلقت را آشکار نخواهد کرد. تلسکوپ ها با تشخیص نوری که از دور سفر می کند، گذشته کیهان را می بینند. اما 380,000 سال اول پس از انفجار بزرگ در پشت نوعی پرده کیهانی پنهان شده است. در آن زمان، جهان پر از پلاسمای یونیزه شده بود که فوتون ها را پراکنده می کرد و آن را در برابر نور مات می کرد.

برخلاف نور، امواج گرانشی می توانند آزادانه در جهان اولیه موج بزنند. رصدخانه های زمینی موجود مانند LIGO و Virgo احتمالاً به این امواج اولیه حساس نیستند. اما LISA ممکن است بتواند آنچه را که روی صحنه قبل از بلند شدن پرده کیهانی اتفاق افتاده است، بشنود.

ساندروم گفت: «مثل شنیدن چیزی در مه است.

مانند رصدخانه‌های امواج گرانشی زمینی، LISA امواج فضا-زمان را با استفاده از لیزر برای اندازه‌گیری دقیق فاصله در امتداد "بازو" خود - در این مورد، خطوط موجود در فضای خالی بین سه فضاپیما در صورت فلکی مثلثی آن، تشخیص می‌دهد. هنگامی که یک موج گرانشی از کنار آن عبور می کند، کشش می یابد و فضا-زمان منقبض می شود. این یک تفاوت جزئی در طول بازوی LISA ایجاد می کند، که ابزار می تواند با ردیابی ناهماهنگی قله ها و فرورفتگی های پرتوهای لیزر آن را تشخیص دهد. LISA که از محیط پر سر و صدا زمین حذف می‌شود، بسیار حساس‌تر از تداخل‌سنج‌های موجود مانند LIGO است که برای تشخیص برخورد سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی استفاده می‌شود. همچنین بسیار بزرگتر خواهد بود. هر یک از بازوهای آن تقریباً 400 برابر بیشتر از شعاع زمین خواهد بود.

با این حال، تغییرات فاصله ای که LISA احساس می کند بسیار کوچک است - حدود 50 برابر کوچکتر از یک اتم. اگر به آن فکر کنید، این یک مفهوم کاملاً دیوانه کننده است نورا لوتزگندورف، یک اخترفیزیکدان در ESA و یک دانشمند پروژه LISA.

اندازه و حساسیت LISA به آن امکان می دهد امواج گرانشی را مشاهده کند که بسیار طولانی تر از امواج قابل مشاهده توسط تداخل سنج های زمینی هستند. LIGO می‌تواند امواج گرانشی با طول موج‌های بین 30 تا 30,000 کیلومتر را حس کند، اما LISA می‌تواند امواجی در طول چند صد هزار کیلومتر تا چند میلیارد را بگیرد. این به LISA اجازه می‌دهد تا به رویدادهای اخترفیزیکی که رصدخانه‌های زمینی قادر به شنیدن آن‌ها نیستند، مانند ادغام سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم (بر خلاف سیاهچاله‌های به اندازه ستاره) گوش دهد. و باند طول موج LISA دقیقاً به اندازه ای است که فیزیکدانان از امواج گرانشی تولید شده در اولین لحظات پس از انفجار بزرگ انتظار دارند.

فیزیک پرانرژی در کیهان اولیه موج‌های گرانشی ایجاد کرد و با انبساط جهان و کشش فضا، این امواج به ابعاد عظیمی منفجر شدند. اتفاقاً LISA کاملاً آماده است تا امواج ایجاد شده در 10 مورد اول را بگیرد^-17 به 10^-10 ثانیه پس از انفجار بزرگ - عملا در آغاز زمان. انتهای کوتاه آن محدوده، 10^-17 ثانیه‌ها، دوره‌ای است به قدری کوتاه که تقریباً به اندازه ثانیه‌ها در عصر کیهان جا می‌گیرد.

گفت: "این خوشبختی وجود دارد." کیارا کاپرینیکیهان شناس نظری در دانشگاه ژنو و سرن. بین "باند فرکانس تشخیص LISA و این دوره خاص در تکامل جهان که مرز دانش ما از فیزیک ذرات را مشخص می کند" تطابق وجود دارد.

فراتر از مدل استاندارد

تا آن حد، مدل استاندارد به خوبی توضیح می دهد که چگونه گله 17 ذره بنیادی آن با سه نیرو برهمکنش می کند: نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف. اما با وجود موفقیت های عظیم آن، هیچ کس فکر نمی کند که این ذرات و نیروها همه و غایت وجود هستند.

تئوری اشکالاتی دارد. به عنوان مثال، جرم بوزون هیگز - جزء مدل استاندارد که جرم سایر ذرات را تعیین می کند - است ناامید کننده "غیر طبیعی" در مقایسه با مقیاس‌های انرژی بسیار بزرگ‌تر کیهان، خودسرانه و به طرز شگفت‌انگیزی کوچک به نظر می‌رسد. علاوه بر این، مدل استاندارد هیچ توضیحی برای ماده تاریک و همچنین برای ماده تاریک ارائه نمی دهد انرژی تاریک مرموز که باعث گسترش شتابان فضا می شود. مشکل دیگر این است که پادماده و ماده تحت سه نیروی مدل استاندارد دقیقاً یکسان رفتار می کنند - که بدیهی است که داستان کامل نیست، زیرا ماده بر جهان مسلط است. و سپس جاذبه وجود دارد. مدل استاندارد چهارمین نیروی بنیادی را که باید با استفاده از نظریه سفارشی خود یعنی نسبیت عام توصیف شود، کاملاً نادیده می گیرد.

پیر اوکلر، کیهان‌شناس نظری در دانشگاه کاتولیک لوون در بلژیک، می‌گوید: «بنابراین بسیاری از نظریه‌پردازان مانند من در تلاش بوده‌اند تا مدل استاندارد را کمی فشرده کنند و سعی در توسعه آن داشته باشند. اما بدون شواهد تجربی که بتوان آنها را با آنها آزمایش کرد، این نظریه‌های بسط یافته، خوب، نظری باقی می‌مانند.

اوکلر یک نظریه پرداز است. او گفت: "اما هنوز، من سعی می کنم تا آنجا که می توانم با آزمایش ها مرتبط شوم." این یکی از دلایلی است که او به سمت لیزا کشیده شد. او گفت: «این گسترش‌ها معمولاً منجر به رویدادهای شدید مختلف در جهان اولیه می‌شوند.

گارسیا گارسیا نیز گفت که وعده LISA در مورد شواهد رصدی برای فیزیک پرانرژی او را به بازنگری در حرفه خود سوق داد - او گفت که امواج گرانشی می‌توانند جهان اولیه را به گونه‌ای بررسی کنند که هیچ آزمایش دیگری نمی‌تواند انجام دهد. چند سال پیش، او شروع به مطالعه امواج گرانشی کرد و اینکه چگونه فیزیک فراتر از مدل استاندارد، اثر انگشت را توسط LISA قابل تشخیص است.

سال گذشته گارسیا گارسیا و همکارانش اثر منتشر شده در امضای امواج گرانشی دیوارهای حباب - موانع پرانرژی بین حفره‌های فضا که با سرد شدن جهان در حالت‌های مختلف به دام افتادند. این سرد شدن با انبساط جهان اتفاق افتاد. همانطور که آب می جوشد و به بخار تبدیل می شود، جهان از طریق انتقال فاز عبور کرد. در مدل استاندارد، انتقال فازی که طی آن یک نیروی "الکتری ضعیف" به نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف جداگانه تقسیم می‌شود، نسبتاً صاف بود. اما دانسکی که نقص‌های توپولوژیکی مانند دیواره‌های حباب را نیز مطالعه می‌کند، می‌گوید بسیاری از بسط‌های این نظریه رویدادهای خشونت‌باری را پیش‌بینی می‌کنند که سوپ کیهانی را کف آلود و آشفته کرده است.

میدان‌های کوانتومی که در جهان ما نفوذ می‌کنند، حالت‌های حداقل انرژی یا حالت‌های پایه دارند. و با سرد شدن جهان، حالت‌های زمینی جدید با انرژی پایین‌تر ایجاد شدند، اما یک میدان مشخص همیشه بلافاصله در حالت پایه جدید خود فرود نمی‌آید. برخی در حداقل‌های انرژی محلی - حالت‌های زمینی کاذب که فقط پایدار به نظر می‌رسند - گرفتار شدند. با این حال، گاهی اوقات یک تکه کوچک از کیهان به حالت تونل کوانتومی وارد حالت واقعی می شود و حباب خلاء واقعی را که به سرعت در حال انبساط است، با انرژی کمتری نسبت به کیهان بیرون تشکیل می دهد.

«این حباب‌ها بسیار پرانرژی هستند. دانسکی گفت: آنها به دلیل اختلاف فشار بین فضای داخلی و خارجی خود بسیار نزدیک به سرعت نور هستند. بنابراین هنگامی که آنها با هم برخورد می کنند، این برخورد شدید بین این دو جرم بسیار نسبیتی را مشاهده می کنید، که تا حدودی شبیه به نحوه انتشار امواج گرانشی قوی سیاهچاله ها درست قبل از برخورد است.

رشته ها و دیوارها

به طور گمانه‌زنی‌تر، انتقال فاز در جهان اولیه همچنین می‌توانست ساختارهایی به نام رشته‌های کیهانی و دیوارهای حوزه را ایجاد کند - رشته‌ها و صفحات عظیمی از انرژی متراکم به ترتیب.

این ساختارها زمانی بوجود می آیند که حالت پایه میدان کوانتومی به گونه ای تغییر کند که بیش از یک حالت پایه جدید وجود داشته باشد که هر کدام به یک اندازه معتبر هستند. این می‌تواند منجر به نقص‌های پرانرژی در امتداد مرزهای بین کیهان شود که اتفاقاً در حالت‌های مختلف، اما به همان اندازه مطلوب، قرار می‌گیرند.

دانسکی که این کار را انجام داده است، گفت: این فرآیند کمی شبیه روشی است که سنگ های خاصی در حین سرد شدن، مغناطیس طبیعی ایجاد می کنند اثر انگشت قابل مشاهده را مطالعه کرد از روند. در دماهای بالا، اتم ها به طور تصادفی جهت گیری می کنند. اما در دماهای خنک تراز مغناطیسی برای آنها از نظر انرژی مطلوب می شود - حالت پایه تغییر می کند. بدون مقداری میدان مغناطیسی خارجی برای جهت‌دهی اتم‌ها، آن‌ها آزادند که خود را به هر سمتی ردیف کنند. همه «انتخاب‌ها» به یک اندازه معتبر هستند و حوزه‌های مختلف کانی، به‌طور تصادفی، انتخاب‌های متفاوتی خواهند داشت. میدان مغناطیسی تولید شده توسط همه اتم ها به طور چشمگیری در مرزهای بین حوزه ها خم می شود.

او گفت به طور مشابه، میدان‌های کوانتومی در مناطق مختلف جهان «باید به سرعت در مرز» این حوزه‌ها تغییر کنند، که منجر به چگالی انرژی بزرگ در این مرزها می‌شود که «حضور دیوار حوزه یا رشته کیهانی را نشان می‌دهد».

این ریسمان‌های کیهانی و دیواره‌های حوزه، اگر وجود داشته باشند، با انبساط فضا، عملاً کل کیهان را در بر می‌گیرند. این اجسام با انتشار پیچ خوردگی ها در امتداد آنها و به عنوان نوسان حلقه ها و تشکیل کاسپ، امواج گرانشی تولید می کنند. اما مقیاس انرژی این امواج بیشتر به عنوان اجرام شکل گرفته در اولین لحظات کیهان تنظیم شده است. و LISA می تواند آنها را در صورت وجود شناسایی کند.

پژواک های خلقت

امواج گرانشی که از اوایل کیهان به ما می‌رسند، مانند سیگنال‌های برخورد سیاه‌چاله‌ها، به صورت جیک‌های بسته‌بندی منظمی نمی‌رسند. از آنجایی که آنها خیلی زود اتفاق افتاده اند، چنین سیگنال هایی از آن زمان در تمام فضا پخش شده اند. آنها از هر جهت، از هر نقطه در فضا، به یکباره پژواک خواهند داشت - یک زمزمه گرانشی پس زمینه.

گارسیا گارسیا گفت: "شما ردیاب خود را روشن می کنید، و همیشه آنجاست."

ساندرام گفت: الگوهای موجود در این پس زمینه احتمالاً برای یک فرد معمولی مانند سر و صدا به نظر می رسند. اما به طور مخفیانه، یک کد مخفی وجود دارد.

یک سرنخ مهم، طیف سیگنال پس زمینه خواهد بود – قدرت آن در فرکانس های مختلف. اگر سیگنال موج گرانشی را به عنوان صدا در نظر بگیریم، طیف آن نموداری از گام در مقابل حجم خواهد بود. اوکلر گفت که نویز سفید واقعاً تصادفی یک طیف مسطح خواهد داشت. اما امواج گرانشی که در طول انتقال فاز آزاد می‌شوند یا از رشته‌های کیهانی یا دیواره‌های حوزه پخش می‌شوند، در فرکانس‌های خاص بلندترین خواهند بود. Auclair روی محاسبه نشانه های طیفی رشته های کیهانی کار کرده است، که امواج گرانشی را در طول موج های مشخصه زمانی که پیچ خوردگی ها و حلقه های آنها تکامل می یابد، پرتاب می کنند. و کاپرینی مطالعات چگونه انتقال فاز خشونت آمیز اثر خود را در پس زمینه موج گرانشی به جا می گذارد.

یکی دیگر از رویکرد، که Sundrum و همکارانش در سال 2018 مشخص شده است و اخیراً شرح داده شده است، تلاش برای ترسیم شدت کلی پس زمینه در سراسر آسمان است. این امر امکان جستجوی ناهمسانگردی ها یا تکه هایی را فراهم می کند که کمی بلندتر یا ساکت تر از حد متوسط ​​هستند.

کاپرینی گفت: «مشکل این است که این نوع سیگنال عملاً همان ویژگی های نویز ابزار را دارد. بنابراین کل سؤال این است که چگونه می‌توانیم آن را به محض اینکه چیزی را تشخیص دادیم تشخیص دهیم.»

LISA بیشتر شبیه میکروفون است تا تلسکوپ. به جای نگاه کردن به یک جهت خاص، به یکباره به تمام آسمان گوش می دهد. امواج گرانشی اولیه را در صورت وجود می شنود. اما صدای جیر جیر و زوزه ادغام سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی و تعداد زیادی از جفت ستاره های کوتوله سفید در کهکشان ما را نیز خواهد شنید. برای اینکه LISA بتواند پس‌زمینه امواج گرانشی اولیه را تشخیص دهد، همه سیگنال‌های دیگر باید با دقت شناسایی و حذف شوند. فیلتر کردن سیگنال واقعی از کیهان اولیه مانند برداشتن صدای نسیم بهاری در یک کارگاه ساختمانی است.

اما ساندرام امیدوار بودن را انتخاب می کند. او گفت: «ما دیوانه نیستیم که در حال انجام تحقیق باشیم. برای تجربی گرایان سخت خواهد بود. پرداخت هزینه برای کارهای مختلفی که باید انجام شود برای عموم سخت خواهد بود. و برای نظریه پردازان سخت خواهد بود که راه خود را از همه ابهامات و خطاها و پیشینه ها و غیره محاسبه کنند.

اما همچنان، ساندروم افزود: «به نظر می‌رسد که این امکان پذیر باشد. با کمی شانس.»