Надії на відкриття Великого вибуху покладені на космічний корабель майбутнього | Журнал Quanta

На конференції в Японії кілька років тому Девід Дунскі був присутній на розмові про гравітаційні хвилі, брижі в тканині простору-часу, які виникають, коли масивні об’єкти, такі як зірки та чорні діри, прискорюються.

У той час Дунскі був аспірантом з фізики елементарних частинок, і його інтереси, здавалося, були деінде. Фізики елементарних частинок шукають більш фундаментальну істину, яка лежить в основі фізичних правил, з якими ми знайомі. Вони давно використовують колайдери частинок високої енергії, щоб перевірити свої ідеї. Розбиваючи частинки разом із незбагненною енергією, ці вчені можуть виявити будівельні блоки будівельних блоків — високоенергетичні явища, які відбуваються на короткій відстані. Ці явища також розповідають нам про найдавніші моменти існування Всесвіту, коли він був крихітним, щільним і неймовірно гарячим.

Але під час розмови Дунскі дізнався, що майбутні обсерваторії гравітаційних хвиль, такі як запропонована космічна антена лазерного інтерферометра (LISA), можуть бути використані для дослідження фізики високих енергій. LISA буде здатна виявляти гіпотетичні об’єкти, які називаються космічними струнами, величезні нитки концентрованої енергії, які могли виникнути під час народження Всесвіту. «Мене захопили спроби зрозуміти сигнали гравітаційних хвиль із раннього Всесвіту, — сказав Дунскі, який зараз є космологом і фізиком елементарних частинок у Нью-Йоркському університеті, — і як вони могли розповісти нам про фізику дуже, дуже високих енергій, потенційно далеких за те, що ми зараз можемо виявити за допомогою колайдера».

Його звернення до гравітаційних хвиль як шляху вперед для фізики елементарних частинок є прикладом розширення інтересу до майбутнього експерименту LISA і, можливо, ширшого зрушення. Дванадцять років минуло з моменту останнього великого відкриття на колайдері елементарних частинок. Відкриття бозона Хіггса на Великому адронному колайдері (LHC) у 2012 році завершило Стандартну модель фізики елементарних частинок, панівну теорію відомих елементарних частинок і сил. І хоча теоретики з тих пір придумали зоопарк можливих теорій, що розширюють Стандартну модель, незрозуміло, чи зможемо ми створити колайдери, здатні перевірити ці ідеї.

«Люди говорять про будівництво колайдерів у наступні 50 років, які будуть у 10 разів потужніші за LHC з точки зору енергії», — сказав Раман Сундрам, фізик-теоретик елементарних частинок в Університеті Меріленда. Однак для перевірки теорій великого об’єднання, які відслідковують три сили Стандартної моделі до однієї основної сили, що діє на коротших відстанях, «здавалося б, знадобиться коллайдер, енергія якого в 10 мільярдів разів перевищує енергію LHC», – сказав він.

Те, що ми не можемо створити на колайдері, ми можемо спостерігати в природі. Зокрема, відповіді можуть полягати в гравітаційному відлунні процесів, які розгорталися в перші моменти створення, коли Всесвіт був настільки енергійним, що панувала б фізика за межами Стандартної моделі.

На це сподіваються фізики елементарних частинок, такі як Данскі та Сундрам, які зараз шукають LISA для перевірки своїх теорій. Концепція місії була вперше розроблена на початку 1980-х років і офіційно запропонована Європейському космічному агентству (ESA) наступного десятиліття. Деякий час проект здійснювався у співпраці з NASA, але в 2011 році американці відмовилися від нього через проблеми з бюджетом, що змусило Європу піти самостійно. Однак цього січня LISA нарешті отримала добро від ESA, яке зараз шукає галузевих партнерів для початку будівництва. Оголошення зроблено після приголомшливого успіху пілотної місії LISA Pathfinder у 2015 і 2016 роках, яка перевіряла ключові технології майбутньої обсерваторії.

Політ LISA тепер запланований на 2030-ті роки. Протягом чотирьох років його група з трьох супутників буде перекидатися крізь космос у формі рівностороннього трикутника в діаметрі кілька мільйонів миль, відбиваючи лазери від золотих кубів, які зберігаються в ідеальному вільному падінні всередині кожного корабля, щоб відчути брижі в просторі-часі.

«Вперше ми можемо отримати щось безпосередньо з тієї дуже ранньої епохи» Всесвіту, сказав Ізабель Гарсія Гарсія, фізик елементарних частинок і космолог у Вашингтонському університеті. Якщо LISA дійсно зможе вловити первісні гравітаційні хвилі, додала вона, це буде наш перший проблиск перших моментів існування космосу. «З точки зору фізики елементарних частинок це, очевидно, неймовірно захоплююче».

Щаслива ЛІЗА

Якщо LISA справді вдасться виявити первісні гравітаційні хвилі десь наступного десятиліття, це станеться завдяки надзвичайному космічному везіння.

Жоден телескоп ніколи не покаже перші моменти створення. Телескопи бачать у минуле Всесвіту, виявляючи світло, яке поширюється здалеку. Але перші 380,000 XNUMX років після Великого вибуху приховані за своєрідною космічною завісою. Тоді Всесвіт був наповнений іонізованою плазмою, яка розсіювала фотони, роблячи його непрозорим для світла.

На відміну від світла, гравітаційні хвилі могли вільно ширитися раннім Всесвітом. Існуючі наземні обсерваторії, такі як LIGO і Virgo, ймовірно, не чутливі до цих первісних хвиль. Але ЛІЗА могла б почути, що сталося на сцені до того, як піднялася космічна завіса.

«Це ніби чути щось у тумані», — сказав Сандрам.

Подібно до наземних обсерваторій гравітаційних хвиль, LISA буде виявляти брижі в просторі-часі за допомогою лазерів для точного вимірювання відстані вздовж своїх «плечей» — у цьому випадку ліній у порожньому просторі між трьома космічними кораблями в його трикутному сузір’ї. Коли гравітаційна хвиля проходить повз, вона розтягує і стискає простір-час. Це створює невелику різницю в довжині плеча LISA, яку прилад може виявити, відстежуючи розбіжність піків і спадів його лазерних променів. Виключений із шумного середовища Землі, LISA буде набагато чутливішим, ніж існуючі інтерферометри, такі як LIGO, який використовувався для виявлення зіткнень чорних дір і нейтронних зірок. Він також буде набагато більшим; кожен з його рукавів буде майже в 400 разів довший за радіус Землі.

Незважаючи на це, зміни відстані, які відчує LISA, надзвичайно малі — приблизно в 50 разів менші за атом. «Це досить божевільна концепція, якщо подумати про це», — сказав Нора Лютцгендорф, астрофізик ESA та науковець проекту LISA.

Розмір і чутливість LISA дозволять спостерігати гравітаційні хвилі, які набагато довші, ніж ті, які спостерігаються наземними інтерферометрами. LIGO може сприймати гравітаційні хвилі з довжиною хвилі приблизно від 30 до 30,000 XNUMX кілометрів, але LISA може вловлювати хвилі довжиною від кількох сотень тисяч кілометрів до кількох мільярдів. Це дозволить LISA прослуховувати астрофізичні події, які наземні обсерваторії не можуть «почути», такі як злиття надмасивних чорних дір (на відміну від чорних дір розміром із зірку). І смуга довжин хвиль LISA також виявляється саме того розміру, якого фізики очікують від гравітаційних хвиль, що виникли в перші миті після Великого вибуху.

Фізика високих енергій у ранньому Всесвіті створювала гравітаційні брижі, і коли Всесвіт розширювався, а простір розтягувався, ці хвилі роздувалися до величезних розмірів. LISA просто ідеально готова вловити хвилі, створені в перших 10^-17 в 10^-10 секунди після Великого вибуху — практично на початку часів. Короткий кінець цього діапазону, 10^-17 секунд, є настільки коротким періодом, що вміщається приблизно стільки разів у секунду, скільки секунд вміщується у вік Всесвіту.

«Є така інтуїція», — сказав К'яра Капріні, космолог-теоретик Женевського університету та CERN. Існує збіг між «смугою частот виявлення LISA і цією конкретною епохою в еволюції Всесвіту, яка знаменує собою кордон наших знань про фізику елементарних частинок».

За межами стандартної моделі

До цієї межі Стандартна модель чудово пояснює, як її група з 17 елементарних частинок взаємодіє з трьома силами: електромагнітною силою, сильною ядерною силою та слабкою ядерною силою. Але, незважаючи на величезні успіхи, ніхто не думає, що ці частинки та сили є основою й кінцем усього існування.

У теорії є недоліки. Наприклад, маса бозона Хіггса — компонент Стандартної моделі, що визначає маси інших частинок — є надзвичайно «неприродно.” Вона здається довільною і дивовижно маленькою порівняно з набагато більшими енергетичними масштабами Всесвіту. Крім того, Стандартна модель не пропонує пояснення ні темної матерії, ні темної матерії таємнича темна енергія що сприяє прискореному розширенню простору. Інша проблема полягає в тому, що антиматерія та матерія поводяться абсолютно однаково під впливом трьох сил Стандартної моделі — що, очевидно, не повна історія, оскільки матерія домінує у Всесвіті. А ще є сила тяжіння. Стандартна модель повністю ігнорує четверту фундаментальну силу, яка повинна бути описана за допомогою її власної теорії, загальної теорії відносності.

«Багато таких теоретиків, як я, намагалися трохи стиснути Стандартну модель і спробувати її розширити», — сказав П’єр Оклер, теоретичний космолог з Католицького університету Лувена в Бельгії. Але без експериментальних доказів, за допомогою яких можна їх перевірити, ці розширені теорії залишаються теоретичними.

Оклер — теоретик. «Але все ж я намагаюся бути пов’язаним з експериментами, наскільки це можливо», — сказав він. Це одна з причин, чому його привабила LISA. «Ці розширення зазвичай призводять до різних екстремальних подій у ранньому Всесвіті», — сказав він.

Гарсіа Гарсіа також сказала, що обіцянка LISA надати докази спостережень для фізики високих енергій змусила її переосмислити свою кар’єру — за її словами, гравітаційні хвилі могли «досліджувати ранній Всесвіт так, як не може жоден інший експеримент». Кілька років тому вона почала вивчати гравітаційні хвилі та те, як фізика за межами Стандартної моделі залишить відбитки пальців, які можна виявити LISA.

Минулого року Гарсія Гарсія та її колеги опублікована робота на сигнатурах гравітаційних хвиль стінок бульбашок — енергетичних бар’єрів між кишенями простору, які потрапили в різні стани, коли Всесвіт охолоджувався. Це охолодження відбулося в міру розширення Всесвіту. Подібно до того, як вода кипить і перетворюється на пару, Всесвіт пройшов фазові переходи. У Стандартній моделі фазовий перехід, під час якого одна «електрослабка» сила розпадається на окремі електромагнітні та слабкі сили, був відносно плавним. Але багато розширень теорії передбачають насильницькі події, які залишили космічний суп пінним і збуреним, сказав Дунскі, який також вивчає топологічні дефекти, такі як стінки бульбашок.

Квантові поля, які пронизують наш Всесвіт, мають стани з мінімальною енергією, або основні стани. І коли Всесвіт охолоджувався, розвивалися нові основні стани з нижчою енергією, але дане поле не завжди відразу потрапляло в новий основний стан. Деякі потрапили в пастку локальних енергетичних мінімумів — помилкових основних станів, які лише здаються стабільними. Іноді, однак, один маленький шматочок Всесвіту квантовим тунелем переходив у справжній стан, утворюючи швидко розширюваний міхур справжнього вакууму з меншою енергією, ніж зовнішній Всесвіт.

«Ці бульбашки дуже енергійні; вони рухаються дуже близько до швидкості світла через цю різницю тиску між їхнім внутрішнім і зовнішнім середовищем», – сказав Дунскі. «Отже, коли вони стикаються, ви отримуєте це жорстоке зіткнення між цими двома дуже релятивістськими об’єктами, дещо схоже на те, як чорні діри випромінюють сильні гравітаційні хвилі безпосередньо перед зіткненням».

Струни і стіни

Більш спекулятивно, фазові переходи в ранньому Всесвіті також могли створити структури, які називаються космічними струнами та доменними стінками — величезні нитки та листи, відповідно, щільної енергії.

Ці структури виникають, коли основний стан квантового поля змінюється таким чином, що виникає більше ніж один новий основний стан, кожен з яких однаково дійсний. Це може призвести до високоенергетичних дефектів уздовж кордонів між кишенями Всесвіту, які випадково потрапили в різні, але однаково сприятливі основні стани.

Цей процес трохи схожий на те, як певні породи розвивають природний магнетизм під час охолодження, сказав Дунскі, який це зробив вивчав спостережувані відбитки пальців процесу. При високих температурах атоми орієнтовані безладно. Але при низьких температурах для них стає енергетично вигідним магнітне вирівнювання — змінюється основний стан. Без зовнішнього магнітного поля, яке б орієнтувало атоми, вони можуть вільно вибудовуватися в будь-яку сторону. Усі «вибори» однаково дійсні, і різні домени мінералу випадково зроблять різні вибори. Магнітне поле, створене всіма атомами, різко вигинається на кордонах між доменами.

Подібним чином квантові поля в різних регіонах Всесвіту «повинні швидко змінюватися на кордоні» цих доменів, сказав він, що призводить до великої щільності енергії на цих кордонах, що «означає наявність доменної стінки або космічної струни».

Ці космічні струни та доменні стіни, якщо вони існують, розтягнулися б, щоб охопити практично весь Всесвіт у міру розширення простору. Ці об’єкти створюють гравітаційні хвилі, коли згини поширюються вздовж них, а петлі коливаються й утворюють загострення. Але енергетичні масштаби цих хвиль здебільшого були встановлені як об’єкти, що утворилися в перші моменти Всесвіту. І LISA могла б їх виявити, якщо вони існують.

Відлуння Творіння

Гравітаційні хвилі, що доходять до нас із самого раннього Всесвіту, не надходитимуть у вигляді акуратно упакованих трісків, як сигнали зіткнень чорних дір. Оскільки вони відбулися дуже рано, такі сигнали з тих пір поширилися по всьому космосу. Вони лунатимуть з усіх боків, із кожної точки простору, все одночасно — фоновий гравітаційний гул.

«Ви вмикаєте свій детектор, і він завжди там», — сказав Гарсіа Гарсія.

Патерни на цьому фоні, ймовірно, «просто виглядатимуть як шум для середньої людини», — сказав Сундрам. «Але по секрету є прихований код».

Важливою підказкою буде спектр фонового сигналу — його сила на різних частотах. Якщо ми розглядаємо сигнал гравітаційної хвилі як звук, його спектр буде графіком залежності висоти від гучності. Справді випадковий білий шум мав би плоский спектр, сказав Оклер. Але гравітаційні хвилі, що вивільняються під час фазових переходів або викидаються космічними струнами чи доменними стінками, будуть найгучнішими на певних частотах. Оклер працював над обчисленням спектральних ознак космічних струн, які викидають гравітаційні хвилі на характерних довжинах хвиль, коли їх перегини та петлі розвиваються. І Капріні Дослідження як бурхливі фазові переходи залишать власний слід на тлі гравітаційної хвилі.

Інший підхід, запропонований Сандрамом і його колегами намічений у 2018 році та нещодавно розроблений, було б спробувати відобразити загальну інтенсивність фону на небі. Це дало б змогу шукати анізотропії або плями, які лише трохи голосніші чи тихіші за середні.

«Проблема, — сказав Капріні, — полягає в тому, що цей тип сигналу має практично ті ж характеристики, що й шум приладу. Отже, головне питання полягає в тому, як розрізнити це, коли ми щось виявимо».

LISA більше схожа на мікрофон, ніж на телескоп. Замість того, щоб дивитися в певному напрямку, він слухатиме все небо одночасно. Він почує первісні гравітаційні хвилі, якщо вони присутні. Але він також почує щебет і виття злиття чорних дір, нейтронних зірок і багатьох пар білих карликів у нашій галактиці. Для того, щоб LISA виявила фон первісних гравітаційних хвиль, усі інші сигнали потрібно буде ретельно ідентифікувати та видалити. Відфільтрувати справжній сигнал із раннього Всесвіту буде все одно, що вловити звук весняного бризу на будівельному майданчику.

Але Сундрам вирішив бути надією. «Ми не божевільні, щоб проводити дослідження», — сказав він. «Експериментаторам буде важко. Суспільству буде важко платити за різні речі, які потрібно зробити. І теоретикам буде важко прорахувати свій шлях подолання всіх невизначеностей, помилок, передумов і так далі».

Але все ж, додав Сундрам, «це виглядає можливим. Трохи пощастить».