Надежды на открытия Большого Взрыва связаны с будущим космическим кораблем | Журнал Кванта

Несколько лет назад на конференции в Японии Дэвид Дански присутствовал на докладе о гравитационных волнах, ряби в ткани пространства-времени, возникающей при ускорении массивных объектов, таких как звезды и черные дыры.

В то время Дански был аспирантом по физике элементарных частиц, и его интересы, по-видимому, лежали в другом месте. Физики элементарных частиц ищут более фундаментальную истину, лежащую в основе известных нам физических правил. Они уже давно используют коллайдеры частиц высоких энергий для проверки своих идей. Сталкивая частицы вместе при непостижимых энергиях, эти ученые могут обнаружить строительные блоки из строительных блоков — высокоэнергетические явления, которые происходят на малых расстояниях. Эти явления также говорят нам о самых ранних моментах существования Вселенной, когда она была крошечной, плотной и невероятно горячей.

Но во время выступления Дански узнал, что будущие гравитационно-волновые обсерватории, такие как предлагаемая космическая антенна лазерного интерферометра (LISA), могут быть использованы для исследования физики высоких энергий. LISA будет способна обнаруживать гипотетические объекты, называемые космическими струнами, — огромные нити концентрированной энергии, которые могли возникнуть во время рождения Вселенной. «Меня увлекла попытка понять сигналы гравитационных волн из ранней Вселенной, — сказал Дански, который сейчас работает космологом и физиком элементарных частиц в Нью-Йоркском университете, — и то, как они могли бы рассказать нам о физике очень, очень высоких энергий, потенциально далеких за пределами того, что мы в настоящее время можем обнаружить с помощью коллайдера».

Его обращение к гравитационным волнам как к пути развития физики элементарных частиц иллюстрирует растущий интерес к будущему эксперименту LISA и, возможно, более широкий сдвиг. Прошло двенадцать лет с момента последнего крупного открытия на коллайдере частиц. Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в 2012 году завершило Стандартную модель физики элементарных частиц — господствующую теорию известных элементарных частиц и взаимодействий. И хотя с тех пор теоретики придумали целый зоопарк возможных теорий, расширяющих Стандартную модель, неясно, сможем ли мы построить коллайдеры, способные проверять эти идеи.

«Люди говорят о создании в ближайшие 50 лет коллайдеров, которые будут в 10 раз мощнее БАКа с точки зрения энергии», — сказал он. Раман Сундрам, физик-теоретик элементарных частиц из Университета Мэриленда. Однако для проверки теорий великого объединения, которые связывают три силы Стандартной модели с одной основной силой, действующей на более коротких расстояниях, «похоже, потребуется коллайдер, энергия которого в 10 миллиардов раз превышает энергию БАК», — сказал он.

То, что мы не можем создать в коллайдере, мы могли бы наблюдать в природе. В частности, ответы могут заключаться в гравитационном отголоске процессов, которые разворачивались в первые моменты творения, когда Вселенная была настолько энергичной, что царила физика за пределами Стандартной модели.

На это надеются физики элементарных частиц, такие как Дански и Сундрам, которые теперь рассчитывают на LISA для проверки своих теорий. Концепция миссии была впервые разработана в начале 1980-х годов и официально предложена Европейскому космическому агентству (ЕКА) в следующем десятилетии. Некоторое время проект реализовывался в сотрудничестве с НАСА, но в 2011 году американцы отказались от него из-за проблем с бюджетом, вынудив Европу действовать в одиночку. Однако в январе этого года LISA наконец получила добро от ESA, которое сейчас ищет отраслевых партнеров, чтобы начать строительство. Это объявление было сделано после оглушительного успеха пилотной миссии LISA Pathfinder в 2015 и 2016 годах, в ходе которой были протестированы ключевые технологии будущей обсерватории.

Планируется, что LISA полетит в 2030-х годах. В течение четырех лет его группа из трех спутников будет падать в космосе равносторонним треугольником диаметром около миллиона миль, отражая лазеры от золотых кубов, находящихся в идеальном свободном падении внутри каждого корабля, чтобы нащупать рябь в пространстве-времени.

«Впервые мы можем действительно получить что-то непосредственно из той самой ранней эпохи» существования Вселенной, сказал Изабель Гарсия Гарсия, физик элементарных частиц и космолог из Вашингтонского университета. Если LISA действительно сможет улавливать первичные гравитационные волны, добавила она, это будет наш первый взгляд на первые мгновения существования космоса. «С точки зрения физики элементарных частиц это, очевидно, невероятно интересно».

Счастливая ЛИЗА

Если LISA действительно удастся обнаружить первичные гравитационные волны где-то в следующем десятилетии, то это произойдет благодаря необычайной космической удаче.

Ни один телескоп никогда не сможет раскрыть первые моменты творения. Телескопы заглядывают в прошлое Вселенной, обнаруживая свет, пришедший издалека. Но первые 380,000 XNUMX лет после Большого взрыва скрыты за своего рода космической завесой. Тогда Вселенная была наполнена ионизированной плазмой, которая рассеивала фотоны, делая ее непрозрачной для света.

В отличие от света, гравитационные волны могли свободно распространяться по ранней Вселенной. Существующие наземные обсерватории, такие как LIGO и Virgo, вероятно, не чувствительны к этим первичным волнам. Но ЛИЗА, возможно, сможет услышать, что произошло на сцене, прежде чем поднимется космический занавес.

«Это все равно, что услышать что-то в тумане», — сказал Сундрам.

Как и наземные обсерватории гравитационных волн, LISA будет обнаруживать рябь в пространстве-времени, используя лазеры для точного измерения расстояния вдоль своих «рукавов» — в данном случае линий в пустом пространстве между тремя космическими аппаратами в треугольном созвездии. Когда гравитационная волна проходит мимо, она растягивает и сжимает пространство-время. Это создает небольшую разницу в длине плеч LISA, которую прибор может обнаружить, отслеживая несовпадение пиков и впадин лазерных лучей. Будучи удаленной от шумной среды Земли, LISA будет гораздо более чувствительна, чем существующие интерферометры, такие как LIGO, которые использовались для обнаружения столкновений черных дыр и нейтронных звезд. Он также будет намного больше; каждое из его рукавов будет почти в 400 раз длиннее радиуса Земли.

Несмотря на это, изменения в расстоянии, которое будет чувствовать LISA, чрезвычайно малы — примерно в 50 раз меньше, чем у атома. «Это довольно сумасшедшая концепция, если вдуматься», — сказал Нора Лютцгендорф, астрофизик ЕКА и учёный проекта LISA.

Размер и чувствительность LISA позволят ей наблюдать гравитационные волны, которые намного длиннее тех, которые наблюдаются наземными интерферометрами. LIGO может улавливать гравитационные волны с длиной волны от 30 до 30,000 XNUMX километров, а LISA может улавливать волны длиной от нескольких сотен тысяч километров до нескольких миллиардов. Это позволит LISA прослушивать астрофизические события, которые наземные обсерватории не могут «услышать», например, слияния сверхмассивных черных дыр (в отличие от черных дыр звездного размера). А диапазон длин волн LISA оказался именно таким, какой физики ожидают от гравитационных волн, генерируемых в первые мгновения после Большого взрыва.

Физика высоких энергий в ранней Вселенной создала гравитационную рябь, а по мере расширения Вселенной и растягивания пространства эти волны раздулись до огромных размеров. ЛИЗА просто идеально подготовлена ​​к тому, чтобы поймать волны, возникшие в первых 10^-17 в 10^-10 секунд после Большого взрыва — практически в начале времени. Короткий конец этого диапазона, 10^-17 секунды — это период настолько короткий, что он укладывается в секунду примерно столько же раз, сколько секунд укладывается в возраст Вселенной.

«Это счастливая случайность», — сказал Кьяра Каприни, космолог-теоретик Женевского университета и ЦЕРН. Существует совпадение между «диапазоном частот обнаружения LISA и этой конкретной эпохой в эволюции Вселенной, которая знаменует собой границу наших знаний в области физики элементарных частиц».

За пределами стандартной модели

До этого уровня Стандартная модель превосходно объясняет, как совокупность из 17 элементарных частиц взаимодействует с тремя силами: электромагнитным, сильным ядерным взаимодействием и слабым ядерным взаимодействием. Но, несмотря на огромные успехи, никто не думает, что эти частицы и силы являются основой и целью существования.

Теория имеет свои недостатки. Например, масса бозона Хиггса — компонент Стандартной модели, определяющий массы других частиц, — это удручающе «неестественно»». Оно кажется произвольным и загадочно маленьким по сравнению с гораздо большими энергетическими масштабами Вселенной. Более того, Стандартная модель не дает объяснения ни темной материи, ни загадочная темная энергия что приводит к ускоряющемуся расширению космоса. Другая проблема заключается в том, что антиматерия и материя ведут себя совершенно одинаково под действием трех сил Стандартной модели — что, очевидно, не является полной историей, поскольку материя доминирует во Вселенной. А еще есть гравитация. Стандартная модель полностью игнорирует четвертую фундаментальную силу, которую необходимо описывать с помощью собственной теории — общей теории относительности.

«Поэтому многие теоретики, подобные мне, пытались немного сжать Стандартную модель и попытаться расширить ее», — сказал Пьер Оклер, космолог-теоретик из Католического университета Лувена в Бельгии. Но без экспериментальных доказательств, с помощью которых можно было бы их проверить, эти расширенные теории остаются, скажем так, теоретическими.

Оклер — теоретик. «Но тем не менее я стараюсь быть связанным с экспериментами настолько, насколько могу», — сказал он. Это одна из причин, по которой его привлекла ЛИЗА. «Эти расширения обычно приводят к различным экстремальным событиям в ранней Вселенной», — сказал он.

Гарсиа Гарсия также сказала, что обещание LISA предоставить наблюдательные данные по физике высоких энергий заставило ее переосмыслить свою карьеру: гравитационные волны могли бы «исследовать раннюю Вселенную так, как не может ни один другой эксперимент», сказала она. Несколько лет назад она начала изучать гравитационные волны и то, как физика за пределами Стандартной модели оставляет отпечатки пальцев, которые может обнаружить LISA.

В прошлом году Гарсия Гарсия и ее коллеги опубликованная работа на гравитационно-волновой сигнатуре стенок пузырей — энергетических барьеров между карманами пространства, которые оказались в разных состояниях по мере охлаждения Вселенной. Это охлаждение произошло по мере расширения Вселенной. Подобно тому, как вода кипит и превращается в пар, Вселенная переживала фазовые переходы. В Стандартной модели фазовый переход, во время которого одна «электрослабая» сила разделилась на отдельные электромагнитные и слабые силы, был относительно плавным. Но многие расширения теории предсказывают жестокие события, которые оставили космический суп пенистым и возмущенным, говорит Дански, который также изучает топологические дефекты, такие как стенки пузырей.

Квантовые поля, пронизывающие нашу Вселенную, имеют состояния с минимальной энергией или основные состояния. По мере того как Вселенная остывала, развивались новые основные состояния с более низкой энергией, но данное поле не всегда сразу же оказывалось в своем новом основном состоянии. Некоторые попали в ловушку локальных энергетических минимумов — ложных основных состояний, которые только кажутся стабильными. Иногда, однако, один маленький кусочек Вселенной мог квантово туннелировать в истинное состояние, создавая быстро расширяющийся пузырь истинного вакуума с более низкой энергией, чем у Вселенной снаружи.

«Эти пузыри очень энергичны; они движутся очень близко к скорости света из-за разницы давлений между их внутренней и внешней средой», — сказал Дански. «Поэтому, когда они сталкиваются, происходит сильное столкновение между этими двумя очень релятивистскими объектами, чем-то похожее на то, как черные дыры излучают сильные гравитационные волны непосредственно перед столкновением».

Струны и стены

Если рассуждать более умозрительно, фазовые переходы в ранней Вселенной могли также создать структуры, называемые космическими струнами и доменными стенками — огромные нити и слои плотной энергии соответственно.

Эти структуры возникают, когда основное состояние квантового поля изменяется таким образом, что появляется более одного нового основного состояния, каждое из которых одинаково допустимо. Это может привести к высокоэнергетическим дефектам на границах между карманами Вселенной, которые оказались в разных, но одинаково благоприятных основных состояниях.

Этот процесс немного похож на то, как некоторые камни приобретают естественный магнетизм при охлаждении, сказал Дански, который изучил наблюдаемые отпечатки пальцев процесса. При высоких температурах атомы ориентированы хаотично. Но при низких температурах им становится энергетически выгодно магнитно выровняться — основное состояние меняется. Без какого-либо внешнего магнитного поля, которое могло бы ориентировать атомы, они могут свободно выстраиваться в любую сторону. Все «выборы» одинаково действительны, и разные области минерала случайно делают разные выборы. Магнитное поле, создаваемое всеми атомами, резко изгибается на границах между доменами.

Точно так же, по его словам, квантовые поля в разных регионах Вселенной «должны быстро меняться на границе» этих доменов, что приводит к большим плотностям энергии на этих границах, что «означает наличие доменной границы или космической струны».

Эти космические струны и доменные границы, если бы они существовали, по мере расширения пространства растянулись бы практически на всю Вселенную. Эти объекты производят гравитационные волны, поскольку вдоль них распространяются изломы, а петли колеблются и образуют точки возврата. Но энергетические масштабы этих волн в основном задавались объектами, сформировавшимися в первые моменты существования Вселенной. И LISA могла бы их обнаружить, если бы они существовали.

Эхо творения

Гравитационные волны, доходящие до нас из самой ранней Вселенной, не будут поступать аккуратно упакованными чириканьями, как сигналы столкновений черных дыр. Поскольку они произошли так рано во времени, такие сигналы с тех пор распространились по всему космосу. Они будут эхом звучать со всех сторон, из каждой точки пространства одновременно — фоновый гравитационный гул.

«Вы включаете детектор, и он всегда рядом», — сказал Гарсиа-Гарсия.

Паттерны на этом фоне, вероятно, «обычному человеку покажутся просто шумом», — сказал Сундрам. «Но по секрету есть скрытый код».

Одной из важных подсказок будет спектр фонового сигнала — его сила на разных частотах. Если мы думаем о сигнале гравитационной волны как о звуке, его спектр будет представлять собой график зависимости высоты звука от громкости. По словам Оклера, по-настоящему случайный белый шум будет иметь плоский спектр. Но гравитационные волны, возникающие во время фазовых переходов или излучаемые космическими струнами или доменными стенками, будут самыми громкими на определенных частотах. Оклер работал над расчетом спектральных характеристик космических струн, которые испускают гравитационные волны характерных длин волн, когда их изломы и петли развиваются. и Каприни исследования как сильные фазовые переходы оставят свой след на фоне гравитационных волн.

Другой подход, который Сундрам и его коллеги намечено в 2018 году и недавно разработанный, было бы попытаться отобразить общую интенсивность фона по небу. Это позволит искать анизотропии или участки, которые лишь немного громче или тише среднего.

«Проблема, — сказал Каприни, — в том, что этот вид сигнала имеет практически те же характеристики, что и шум прибора. Поэтому весь вопрос в том, как отличить это, когда мы что-то обнаружим».

ЛИЗА больше похожа на микрофон, чем на телескоп. Вместо того, чтобы смотреть в определенном направлении, он будет слушать все небо сразу. Он услышит первичные гравитационные волны, если они присутствуют. Но он также услышит стрекотание и вой сливающихся черных дыр, нейтронных звезд и множества пар белых карликов в нашей галактике. Чтобы LISA могла обнаружить фон первичных гравитационных волн, все остальные сигналы необходимо будет тщательно идентифицировать и устранить. Отфильтровать истинный сигнал ранней Вселенной будет все равно, что уловить звук весеннего ветерка на стройке.

Но Сундрам предпочитает надеяться. «Мы не сумасшедшие, проводя исследования», — сказал он. «Экспериментаторам будет тяжело. Общественности будет трудно платить за различные вещи, которые необходимо сделать. И теоретикам будет сложно просчитать, как преодолеть все неопределенности, ошибки, предысторию и так далее».

Но тем не менее, добавил Сундрам, «это кажется возможным. Если повезет.