Big Bang Discoveriesin toiveet ratsastavat tulevaisuuden avaruusaluksella | Quanta-lehti

Konferenssissa Japanissa muutama vuosi sitten David Dunsky osallistui keskusteluun gravitaatioaalloista, aaltoilusta aika-avaruuden kudoksessa, joka syntyy, kun massiiviset esineet, kuten tähdet ja mustat aukot, kiihtyvät.

Dunsky oli tuolloin hiukkasfysiikan jatko-opiskelija, ja hänen kiinnostuksen kohteet näyttivät olevan muualla. Hiukkasfyysikot etsivät perustavaa laatua olevaa totuutta, joka tukee meille tuttuja fyysisiä sääntöjä. He ovat pitkään käyttäneet korkeaenergisiä hiukkastörmäimiä ideoidensa testaamiseen. Murskaamalla hiukkasia yhteen käsittämättömillä energioilla, nämä tiedemiehet voivat löytää rakennuspalikoiden rakennuspalikoita – korkean energian ilmiöitä, joita tapahtuu lyhyen matkan mittakaavassa. Nämä ilmiöt kertovat meille myös maailmankaikkeuden varhaisimmista hetkistä, jolloin se oli pieni, tiheä ja uskomattoman kuuma.

Mutta Dunsky oppi keskustelussa, että tulevaisuuden gravitaatioaaltojen observatorioita, kuten ehdotettua laserinterferometri-avaruusantennia (LISA), voitaisiin käyttää korkean energian fysiikan tutkimiseen. LISA pystyisi havaitsemaan hypoteettisia esineitä, joita kutsutaan kosmisiksi jouksiksi, valtavia keskittyneen energian säikeitä, jotka ovat saattaneet syntyä universumin syntymän aikana. "Olin koukussa yrittää ymmärtää gravitaatioaaltojen signaaleja varhaisesta universumista", sanoi Dunsky, joka on nykyään kosmologi ja hiukkasfyysikko New Yorkin yliopistossa, "ja kuinka he voisivat kertoa meille erittäin, erittäin korkean energian fysiikasta, joka voi olla kaukana. enemmän kuin mitä voimme tällä hetkellä havaita törmäyttimellä."

Hänen kääntymisensä kohti gravitaatioaaltoja hiukkasfysiikan tienä on esimerkki kasvavasta kiinnostuksesta tulevaan LISA-kokeeseen ja kenties laajempaan muutokseen. Kaksitoista vuotta on kulunut viimeisestä suuresta löydöstä hiukkastörmätäjässä. Higgsin bosonin löytäminen Large Hadron Colliderissa (LHC) vuonna 2012 täydensi hiukkasfysiikan vakiomallia, tunnettujen alkuainehiukkasten ja voimien hallitsevaa teoriaa. Ja vaikka teoreetikot ovat sittemmin keksineet eläintarhan mahdollisista teorioista, jotka laajentavat standardimallia, ei ole selvää, voimmeko rakentaa törmäyslaitteita, jotka pystyvät testaamaan näitä ideoita.

"Ihmiset puhuvat törmäyslaitteiden rakentamisesta seuraavan 50 vuoden aikana, jotka ovat 10 kertaa tehokkaampia kuin LHC energian suhteen", sanoi. Raman Sundrum, teoreettinen hiukkasfyysikko Marylandin yliopistosta. Kuitenkin suurten yhtenäisten teorioiden testaus, jotka jäljittävät vakiomallin kolme voimaa yhteen taustavoimaan, joka toimii lyhyemmillä etäisyyksillä, "näyttäisi ottavan törmäimen, jonka energia on 10 miljardia kertaa LHC:n energia", hän sanoi.

Mitä emme pysty tuottamaan törmäyksessä, voimme ehkä havaita luonnossa. Tarkemmin sanottuna vastaukset saattoivat löytyä prosessien gravitaatiokaikuista, jotka avautuivat luomisen ensimmäisinä hetkinä, kun maailmankaikkeus oli niin energinen, että standardimallin ulkopuolella oleva fysiikka olisi hallinnut.

Sitä toivovat hiukkasfyysikot, kuten Dunsky ja Sundrum, jotka nyt etsivät LISAa testatakseen teorioitaan. Tehtäväkonsepti kehitettiin ensimmäisen kerran 1980-luvun alussa, ja sitä ehdotettiin virallisesti Euroopan avaruusjärjestölle (ESA) seuraavan vuosikymmenen aikana. Hanketta jatkettiin jonkin aikaa yhteistyössä NASA:n kanssa, mutta amerikkalaiset perääntyivät vuonna 2011 budjettisyistä ja pakottivat Euroopan toimimaan yksin. Tänä tammikuussa LISA sai kuitenkin vihdoin luvan ESA:lta, joka etsii nyt teollisuuden kumppaneita rakentamisen aloittamiseksi. Ilmoitus tuli sen jälkeen, kun pilottitehtävä, LISA Pathfinder, onnistui vuosina 2015 ja 2016, testasi tulevan observatorion keskeisiä teknologioita.

LISAn on nyt tarkoitus lentää 2030-luvulla. Neljän vuoden ajan sen kolmen satelliitin joukko kiertelee avaruuden halki tasasivuisessa kolmiossa, jonka halkaisija on noin miljoona mailia, pomppien laserit kultaisista kuutioista, jotka pidetään täydellisessä vapaassa pudotuksessa kunkin aluksen sisällä ja tuntevat aaltoilua aika-avaruudessa.

"Ensimmäistä kertaa saatamme todella saada jotain suoraan universumin varhaisesta aikakaudesta", sanoi Isabel Garcia Garcia, hiukkasfyysikko ja kosmologi Washingtonin yliopistosta. Jos LISA todella pystyy poimimaan primordiaalisia gravitaatioaaltoja, hän lisäsi, se on ensimmäinen vilkaisumme kosmoksen ensimmäisistä hetkistä. "Hiukkasfysiikan näkökulmasta se on tietysti uskomattoman jännittävää."

Onnea LISA

Jos LISA todellakin onnistuu havaitsemaan primordiaalisia gravitaatioaaltoja joskus ensi vuosikymmenellä, se johtuu poikkeuksellisen kosmisen onnen iskusta.

Mikään kaukoputki ei koskaan paljasta luomisen ensimmäisiä hetkiä. Teleskoopit näkevät universumin menneisyyteen havaitsemalla valon, joka on kulkenut kaukaa. Mutta ensimmäiset 380,000 XNUMX vuotta alkuräjähdyksen jälkeen ovat piilossa eräänlaisen kosmisen esiripun takana. Tuolloin maailmankaikkeus oli täynnä ionisoitua plasmaa, joka hajotti fotoneja tehden siitä valolle läpinäkymättömän.

Toisin kuin valo, gravitaatioaallot saattoivat väreillä vapaasti varhaisen universumin läpi. Nykyiset maanpäälliset observatoriot, kuten LIGO ja Virgo, eivät todennäköisesti ole herkkiä näille alkuaalloille. Mutta LISA saattaa kuulla, mitä lavalla tapahtui, ennen kuin kosminen esirippu nousi.

"Se on kuin kuulisi jotain sumussa", Sundrum sanoi.

Maassa olevien gravitaatioaaltojen observatorioiden tavoin LISA havaitsee aallot avaruudessa käyttämällä lasereita mittaamaan tarkasti etäisyyden sen "käsivarsilla" - tässä tapauksessa viivoja tyhjässä tilassa kolmen avaruusaluksen välillä kolmiomaisessa tähdistössä. Kun gravitaatioaalto kulkee ohi, se venyy ja supistuu aika-avaruus. Tämä luo pienen eron LISA:n varren pituuksiin, jonka instrumentti voi havaita seuraamalla lasersäteidensä huippujen ja kourujen kohdistusvirheitä. Maan meluisasta ympäristöstä poistettuna LISA on paljon herkempi kuin nykyiset interferometrit, kuten LIGO, joita on käytetty mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäysten havaitsemiseen. Se on myös paljon suurempi; jokainen sen käsivarresta tulee olemaan lähes 400 kertaa pidempi kuin maan säde.

Siitä huolimatta muutokset etäisyydellä, jonka LISA tuntee, ovat erittäin pieniä - noin 50 kertaa pienempiä kuin atomi. "Se on aika hullu konsepti, jos sitä ajattelee", sanoi Nora Lützgendorf, ESAn astrofyysikko ja LISA-projektin tutkija.

LISAn koon ja herkkyyden ansiosta se voi tarkkailla gravitaatioaaltoja, jotka ovat paljon pidempiä kuin maanpäällisillä interferometreillä havaittavissa olevat. LIGO voi havaita gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on noin 30-30,000 XNUMX kilometriä, mutta LISA voi poimia aaltoja, joiden pituus vaihtelee muutamasta sadasta tuhannesta kilometristä muutamaan miljardiin. Tämä antaa LISAlle mahdollisuuden kuunnella astrofyysisiä tapahtumia, joita maanpäälliset observatoriot eivät voi "kuulla", kuten supermassiivisten mustien aukkojen fuusio (toisin kuin tähtikokoiset mustat aukot). Ja LISAn aallonpituuskaista sattuu myös olemaan täsmälleen sen kokoinen, mitä fyysikot odottavat alkuräjähdyksen jälkeisinä ensimmäisinä hetkinä syntyneiltä gravitaatioaalloilta.

Korkeaenerginen fysiikka varhaisessa universumissa loi gravitaatioaaltoja, ja kun maailmankaikkeus laajeni ja avaruus venyi, nämä aallot puhallettiin valtaviin mittoihin. LISA vain sattuu olemaan täydellisesti valmis tarttumaan ensimmäisten 10 aikana luodut aallot^-17 ja 10^-10 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen – käytännössä ajan alussa. Tämän alueen lyhyt pää, 10^-17 sekuntia, on niin lyhyt jakso, että se mahtuisi sekuntiin noin yhtä monta kertaa kuin sekuntia mahtuu maailmankaikkeuden ikään.

"Tätä serenditystä on", sanoi Chiara Caprini, teoreettinen kosmologi Geneven yliopistosta ja CERNistä. LISA:n havaitsemisen taajuuskaista ja tämä maailmankaikkeuden evoluution aikakausi, joka merkitsee hiukkasfysiikan tietämyksemme rajaa, sopivat yhteen.

Standardimallin ulkopuolella

Tähän rajaan asti standardimalli tekee erinomaista työtä selittäessään, kuinka sen 17 alkeishiukkasen parvi on vuorovaikutuksessa kolmen voiman kanssa: sähkömagneettinen voima, vahva ydinvoima ja heikko ydinvoima. Mutta huolimatta sen valtavasta menestyksestä, kukaan ei ajattele, että nämä hiukkaset ja voimat ovat olemassaolon kaikki ja loppu.

Teoriassa on omat puutteensa. Esimerkiksi, Higgsin bosonin massa — Standardimallin komponentti, joka määrittää muiden hiukkasten massat — on turhauttavan "luonnotonta.” Se näyttää mielivaltaiselta ja hämmentävän pieneltä verrattuna universumin paljon suurempiin energiamittakaaviin. Lisäksi standardimalli ei tarjoa selitystä pimeälle aineelle eikä sille salaperäinen pimeä energia joka ohjaa tilan kiihtyvää laajenemista. Toinen ongelma on, että antimateria ja aine käyttäytyvät täsmälleen samalla tavalla vakiomallin kolmen voiman alaisina - mikä ei tietenkään ole koko tarina, koska aine hallitsee maailmankaikkeutta. Ja sitten on painovoima. Standardimalli jättää täysin huomiotta neljännen perusvoiman, joka on kuvattava käyttämällä omaa tilaustyötä teoriaansa, yleistä suhteellisuusteoriaa.

"Joten monet minun kaltaiseni teoreetikot ovat yrittäneet puristaa standardimallia hieman ja laajentaa sitä", sanoi Pierre Auclair, teoreettinen kosmologi Louvainin katolisesta yliopistosta Belgiassa. Mutta ilman kokeellisia todisteita, joilla niitä voitaisiin testata, nämä laajennetut teoriat pysyvät teoreettisina.

Auclair on teoreetikko. "Mutta silti yritän olla yhteydessä kokeisiin niin paljon kuin mahdollista", hän sanoi. Tämä on yksi syy, miksi hän veti puoleensa LISAa. "Nämä laajennukset johtavat yleensä erilaisiin ääritapahtumiin varhaisessa universumissa", hän sanoi.

Garcia Garcia sanoi myös, että LISA:n lupaus havainnollisista todisteista korkean energian fysiikasta sai hänet harkitsemaan uraansa uudelleen - gravitaatioaallot voisivat "tutkia varhaista universumia tavalla, jota mikään muu kokeilu ei pysty", hän sanoi. Muutama vuosi sitten hän alkoi tutkia gravitaatioaaltoja ja sitä, kuinka standardimallin jälkeinen fysiikka jättäisi sormenjäljet ​​LISA:n havaittaviksi.

Viime vuonna Garcia Garcia ja hänen kollegansa julkaistu teos kuplien seinien gravitaatioaaltomerkkiin – energeettisiin esteisiin avaruuden taskujen välillä, jotka jäivät loukkuun eri tiloihin universumin jäähtyessä. Tämä jäähtyminen tapahtui maailmankaikkeuden laajentuessa. Aivan kuten vesi kiehuu ja muuttuu höyryksi, maailmankaikkeus kävi läpi vaihemuutoksia. Standardimallissa vaihesiirtymä, jonka aikana yksi "sähköheikko"-voima jakautui erillisiksi sähkömagneettisiksi ja heikoiksi voiiksi, oli suhteellisen tasaista. Mutta monet teorian laajennukset ennustavat väkivaltaisia ​​tapahtumia, jotka jättivät kosmisen keiton vaahtoavaksi ja häiriintyneeksi, sanoi Dunsky, joka tutkii myös topologisia vikoja, kuten kuplien seinämiä.

Universumiamme läpäisevillä kvanttikentillä on minimienergiatiloja tai perustiloja. Ja kun maailmankaikkeus jäähtyi, kehittyi uusia, alhaisemman energian perustiloja, mutta tietty kenttä ei aina laskeutunut uuteen perustilaansa. Jotkut jäivät loukkuun paikallisiin energiaminimiin – vääriin perustiloihin, jotka näyttävät vain vakailta. Joskus yksi pieni pala universumista kuitenkin kvanttitunneli todelliseen tilaan muodostaen nopeasti laajenevan todellisen tyhjiökuplan, jonka energia on pienempi kuin universumin ulkopuolella.

”Nämä kuplat ovat erittäin energisiä; ne liikkuvat hyvin lähellä valon nopeutta tämän sisä- ja ulkopinnan välisen paine-eron vuoksi”, Dunsky sanoi. "Joten kun ne törmäävät, saat tämän väkivaltaisen törmäyksen näiden kahden hyvin relativistisen esineen välillä, joka on hieman samanlainen kuin mustat aukot lähettävät voimakkaita gravitaatioaaltoja juuri ennen törmäystä."

Kielet ja seinät

Spekulatiivisemmin, faasisiirtymät varhaisessa universumissa ovat saattaneet myös luoda rakenteita, joita kutsutaan kosmisiksi jouksiksi ja alueen seiniksi - valtavia säikeitä ja levyjä, vastaavasti tiheää energiaa.

Nämä rakenteet syntyvät, kun kvanttikentän perustila muuttuu siten, että uusia perustiloja on useampi kuin yksi, joista jokainen on yhtä pätevä. Tämä voi johtaa korkean energian vioihin universumin taskujen välisillä rajoilla, jotka sattuivat putoamaan erilaisiin, mutta yhtä edullisiin perustilaan.

Prosessi on vähän kuin tapa, jolla tietyt kivet kehittävät luonnollista magnetismia jäähtyessään, Dunsky sanoi tutki havaittavia sormenjälkiä prosessista. Korkeissa lämpötiloissa atomit ovat satunnaisesti orientoituneita. Mutta kylmissä lämpötiloissa niille tulee energeettisesti suotuisaa kohdistua magneettisesti - perustila muuttuu. Ilman ulkoista magneettikenttää atomien suuntaamiseksi, ne voivat vapaasti asettua riviin millä tahansa tavalla. Kaikki "valinnat" ovat yhtä päteviä, ja mineraalin eri alueet tekevät sattumalta erilaisia ​​valintoja. Kaikkien atomien synnyttämä magneettikenttä taipuu dramaattisesti alueiden välisillä rajoilla.

Samoin universumin eri alueilla olevien kvanttikenttien "täytyy muuttua nopeasti" näiden alueiden rajalla, hän sanoi, mikä johtaa suuriin energiatiheyksiin näillä rajoilla, jotka "merkitsivät alueen seinän tai kosmisen nauhan läsnäoloa".

Nämä kosmiset kielet ja alueen seinät, jos niitä on olemassa, olisivat venyneet ulottumaan käytännössä koko universumin alueelle avaruuden laajentuessa. Nämä esineet tuottavat gravitaatioaaltoja, kun kierteet etenevät niitä pitkin ja kun silmukat värähtelevät ja muodostavat kuplia. Mutta näiden aaltojen energia-asteikot asetettiin enimmäkseen esineiksi, jotka muodostuivat maailmankaikkeuden ensimmäisinä hetkinä. Ja LISA voisi havaita ne, jos niitä on.

Luomisen kaiut

Painovoimaaallot, jotka saapuvat meille aivan varhaisesta universumista, eivät tule paikalle siististi pakattuna sirkutuksena, kuten signaalit mustien aukkojen törmäyksistä. Koska ne tapahtuivat niin aikaisin ajoissa, tällaisia ​​signaaleja on sittemmin levitetty kaikkialle avaruuteen. Ne kaikuvat joka suunnasta, jokaisesta avaruuden pisteestä, kaikki kerralla – taustalla oleva gravitaatiohurina.

"Käynnistät ilmaisimen, ja se on aina siellä", Garcia Garcia sanoi.

Tämän taustan kuviot luultavasti "näyttäisivät vain melulta tavalliselle ihmiselle", Sundrum sanoi. "Mutta salaa siellä on piilotettu koodi."

Yksi tärkeä vihje on taustasignaalin spektri - sen voimakkuus eri taajuuksilla. Jos ajattelemme gravitaatioaaltosignaalia äänenä, sen spektri olisi käyrä äänenkorkeuden ja äänenvoimakkuuden välillä. Todella satunnaisella valkoisella kohinalla olisi tasainen spektri, Auclair sanoi. Mutta gravitaatioaallot, jotka vapautuvat vaiheen muutosten aikana tai valetaan kosmisista kielistä tai alueen seinistä, olisivat äänekkäimpiä tietyillä taajuuksilla. Auclair on työskennellyt laskeakseen kosmisten merkkijonojen spektrimerkkejä, jotka heittävät ulos gravitaatioaaltoja tyypillisillä aallonpituuksilla, kun niiden mutka ja silmukat kehittyvät. Ja Caprini opinnot kuinka raju vaihesiirtymä jättäisi oman jälkensä gravitaatioaallon taustaan.

Toinen lähestymistapa, jonka Sundrum ja hänen kollegansa hahmoteltu vuonna 2018 ja hiljattain kehitetty, olisi yrittää kartoittaa taustan yleinen voimakkuus taivaalla. Tämä antaisi mahdollisuuden etsiä anisotropioita tai laastareita, jotka ovat vain hieman keskimääräistä äänekkäämpiä tai hiljaisempia.

"Ongelma", Caprini sanoi, "on se, että tällaisella signaalilla on käytännössä samat ominaisuudet kuin instrumentin kohina. Joten koko kysymys on, kuinka voimme erottaa sen, kun havaitsemme jotain."

LISA on enemmän kuin mikrofoni kuin kaukoputki. Sen sijaan, että katselisi tiettyyn suuntaan, se kuuntelee koko taivasta kerralla. Se kuulee alkuperäisiä gravitaatioaaltoja, jos niitä on. Mutta se kuulee myös sulautuvien mustien aukkojen, neutronitähtien ja galaksissamme olevien valkoisten kääpiötähtien parien sirkutusta ja ulvomista. Jotta LISA voisi havaita primordiaalisten gravitaatioaaltojen taustan, kaikki muut signaalit on tunnistettava ja poistettava huolellisesti. Varhaisen maailmankaikkeuden todellisen signaalin suodattaminen on kuin kevättuulen äänen poimimista rakennustyömaalla.

Mutta Sundrum päättää olla toiveikas. "Emme ole hulluja tehdä tutkimusta", hän sanoi. ”Se tulee olemaan vaikeaa kokeilijoille. Yleisön on vaikea maksaa erilaisista tehtävissä olevista asioista. Ja teoreetikkojen on vaikea laskea tiensä kaikkien epävarmuustekijöiden, virheiden, taustan ja niin edelleen ohi.

Mutta silti, Sundrum lisäsi, "se näyttää olevan mahdollista. Pienellä tuurilla."