På en konferanse i Japan for noen år siden, David Dunsky deltok på et foredrag om gravitasjonsbølger, krusninger i rom-tidens stoff som skapes når massive objekter som stjerner og sorte hull akselererer.

Dunsky var en doktorgradsstudent i partikkelfysikk på den tiden, og interessene hans lå tilsynelatende andre steder. Partikkelfysikere søker den mer grunnleggende sannheten som ligger til grunn for de fysiske reglene vi er kjent med. De har lenge brukt høyenergipartikkelkollidere for å teste ideene sine. Ved å knuse partikler sammen med ufattelige energier, kan disse forskerne oppdage byggesteinene til byggesteinene - høyenergifenomenene som skjer på kort avstand. Disse fenomenene forteller oss også om de tidligste øyeblikkene i universet da det var lite, tett og utrolig varmt.

Men Dunsky lærte under foredraget at fremtidige gravitasjonsbølgeobservatorier som den foreslåtte Laser Interferometer Space Antenna (LISA) kan brukes til å undersøke høyenergifysikk. LISA ville være i stand til å oppdage hypotetiske objekter kalt kosmiske strenger, enorme tråder av konsentrert energi som kan ha oppstått under universets fødsel. "Jeg ble hekta på å prøve å forstå gravitasjonsbølgesignaler fra det tidlige universet," sa Dunsky, som nå er en kosmolog og partikkelfysiker ved New York University, "og hvordan de kunne fortelle oss om veldig, veldig høyenergifysikk potensielt langt. utover det vi for øyeblikket kan oppdage med en kolliderer.»

Hans vending mot gravitasjonsbølger som en vei videre for partikkelfysikk eksemplifiserer en økende interesse for det fremtidige LISA-eksperimentet og kanskje et bredere skifte. Tolv år har gått siden det siste store funnet ved en partikkelkolliderer. Oppdagelsen av Higgs-bosonet ved Large Hadron Collider (LHC) i 2012 fullførte standardmodellen for partikkelfysikk, den regjerende teorien om de kjente elementærpartiklene og kreftene. Og mens teoretikere siden har tenkt opp en dyrehage med mulige teorier som utvider standardmodellen, er det ikke klart at vi kan bygge kollidere som er i stand til å teste disse ideene.

"Folk snakker om å bygge kollidere i løpet av de neste 50 årene som er 10 ganger kraftigere enn LHC når det gjelder energi," sa Raman Sundrum, en teoretisk partikkelfysiker ved University of Maryland. Men å teste store, forenede teorier, som sporer de tre kreftene til standardmodellen til en enkelt underliggende kraft som opererer på kortere avstander, "så ut til å ta en kolliderer som har 10 milliarder ganger energien til LHC," sa han.

Det vi ikke kan produsere i en kolliderer, kan vi kanskje observere i naturen. Spesielt kan svarene ligge i gravitasjonsekkoene av prosesser som utspilte seg i de første øyeblikkene av skapelsen, da universet var så energisk at fysikk utenfor Standardmodellen ville ha regjert.

Det er håpet til partikkelfysikere som Dunsky og Sundrum, som nå ser til LISA for å teste teoriene sine. Misjonskonseptet ble først utviklet på begynnelsen av 1980-tallet og formelt foreslått for European Space Agency (ESA) det påfølgende tiåret. Prosjektet ble forfulgt i samarbeid med NASA en tid, men amerikanerne bøyde seg i 2011 på grunn av budsjettproblemer, og tvang Europa til å gå alene. I januar fikk imidlertid LISA endelig klarsignal fra ESA, som nå finner industripartnere for å starte byggingen. Kunngjøringen kommer etter den rungende suksessen i 2015 og 2016 til et pilotoppdrag, LISA Pathfinder, som testet det fremtidige observatoriets nøkkelteknologier.

LISA skal nå etter planen fly på 2030-tallet. I fire år vil dens rekke av tre satellitter tumle gjennom verdensrommet i en likesidet trekant på noen millioner miles på tvers, og sprette lasere fra de gylne kubene holdt i perfekt fritt fall i hvert fartøy for å føle etter krusninger i rom-tid.

"For første gang kan vi faktisk få noe direkte fra den veldig tidlige epoken" av universet, sa Isabel Garcia Garcia, en partikkelfysiker og kosmolog ved University of Washington. Hvis LISA virkelig kan fange opp primordiale gravitasjonsbølger, la hun til, vil det være vårt første glimt av kosmos første øyeblikk. "Fra et partikkelfysikks synspunkt er det åpenbart utrolig spennende."

Heldig LISA

Hvis LISA faktisk klarer å oppdage primordiale gravitasjonsbølger en gang neste tiår, vil det være på grunn av et ekstraordinært kosmisk flaks.

Ingen teleskop vil noen gang avsløre de første øyeblikkene av skapelsen. Teleskoper ser inn i universets fortid ved å oppdage lys som har reist langt unna. Men de første 380,000 XNUMX årene etter Big Bang er skjult bak en slags kosmisk gardin. Den gang var universet fylt med ionisert plasma som spredte fotoner, noe som gjorde det ugjennomsiktig for lys.

I motsetning til lys kunne gravitasjonsbølger bølge fritt gjennom det tidlige universet. Eksisterende bakkebaserte observatorier som LIGO og Jomfruen er sannsynligvis ikke følsomme for disse primordiale bølgene. Men LISA kan kanskje høre hva som skjedde på scenen før det kosmiske teppet reiste seg.

"Det er som å høre noe i tåken," sa Sundrum.

Som bakkebaserte gravitasjonsbølgeobservatorier, vil LISA oppdage krusninger i rom-tid ved å bruke lasere for å nøyaktig måle avstanden langs "armene" - i dette tilfellet linjene i det tomme rommet mellom de tre romfartøyene i dens trekantede konstellasjon. Når en gravitasjonsbølge passerer, strekker den seg og trekker seg sammen rom-tid. Dette skaper en liten forskjell i LISAs armlengder, som instrumentet kan oppdage ved å spore feiljusteringen av toppene og bunnene til laserstrålene. Fjernet fra jordens støyende miljø, vil LISA være langt mer følsom enn eksisterende interferometre som LIGO, som har blitt brukt til å oppdage sorte hull og nøytronstjernekollisjoner. Den blir også langt større; hver av dens armer vil være nesten 400 ganger lengre enn jordens radius.

Likevel er endringene i avstanden LISA vil føle for ekstremt små - omtrent 50 ganger mindre enn et atom. "Det er et ganske sprøtt konsept, hvis du tenker på det," sa Nora Lützgendorf, en astrofysiker ved ESA og en LISA-prosjektforsker.

LISAs størrelse og følsomhet vil tillate den å observere gravitasjonsbølger som er mye lengre enn de som kan observeres av bakkebaserte interferometre. LIGO kan registrere gravitasjonsbølger med bølgelengder mellom rundt 30 og 30,000 XNUMX kilometer, men LISA kan fange opp bølger som varierer i lengde fra noen hundre tusen kilometer til noen få milliarder. Dette vil la LISA lytte til astrofysiske hendelser som bakkebaserte observatorier ikke kan "høre", for eksempel sammenslåingen av supermassive sorte hull (i motsetning til stjernestore sorte hull). Og LISAs bølgelengdebånd er tilfeldigvis også akkurat den størrelsen fysikere forventer av gravitasjonsbølger generert i de første øyeblikkene etter Big Bang.

Høyenergifysikk i det tidlige universet skapte gravitasjonsbølger, og etter hvert som universet utvidet seg og rommet strakte seg, ble disse bølgene blåst opp til enorme dimensjoner. LISA er tilfeldigvis perfekt klar til å fange bølger skapt i de 10 første^-17 til 10^-10 sekunder etter Big Bang - praktisk talt i begynnelsen av tiden. Den korte enden av det området, 10^-17 sekunder, er en periode så kort at den passer omtrent like mange ganger inn i et sekund som sekunder passer inn i universets alder.

"Det er denne serendipity," sa Chiara Caprini, en teoretisk kosmolog ved Universitetet i Genève og CERN. Det er et samsvar mellom "frekvensbåndet for deteksjon av LISA og denne spesielle epoken i universets utvikling som markerer grensen for vår kunnskap om partikkelfysikk."

Utover standardmodellen

Frem til den grensen gjør Standardmodellen en utmerket jobb med å forklare hvordan flokken på 17 elementærpartikler samhandler med tre krefter: den elektromagnetiske kraften, den sterke kjernekraften og den svake kjernekraften. Men til tross for dens enorme suksesser, er det ingen som tror at disse partiklene og kreftene er tilværelsens alt og ende.

Teorien har sine feil. For eksempel massen av Higgs-bosonet — komponenten i standardmodellen som bestemmer massene til andre partikler — er frustrerende «unaturlig." Det virker vilkårlig, og forvirrende lite sammenlignet med de langt større energiskalaene i universet. Dessuten gir standardmodellen ingen forklaring på mørk materie, og heller ikke for mystisk mørk energi som driver den akselererende utvidelsen av rommet. Et annet problem er at antimaterie og materie oppfører seg nøyaktig likt under de tre kreftene til standardmodellen - som åpenbart ikke er hele historien, siden materie dominerer universet. Og så er det tyngdekraften. Standardmodellen ignorerer fullstendig den fjerde grunnleggende kraften, som må beskrives ved hjelp av sin egen skreddersydde teori, generell relativitet.

"Så mange teoretikere som meg har prøvd å presse standardmodellen litt og prøve å lage utvidelser av den," sa Pierre Auclair, en teoretisk kosmolog ved det katolske universitetet i Louvain i Belgia. Men uten eksperimentelle bevis å teste dem med, forblir disse utvidede teoriene, vel, teoretiske.

Auclair er en teoretiker. "Men likevel, jeg prøver å bli knyttet til eksperimenter så mye jeg kan," sa han. Det er en grunn til at han ble tiltrukket av LISA. "Disse utvidelsene fører vanligvis til forskjellige ekstreme hendelser i det tidlige universet," sa han.

Garcia Garcia sa også at LISAs løfte om observasjonsbevis for høyenergifysikk førte til at hun revurderte karrieren - gravitasjonsbølger kunne "sondere det tidlige universet på en måte som ingen andre eksperimenter kan," sa hun. For noen år siden begynte hun å studere gravitasjonsbølger og hvordan fysikk utover standardmodellen ville etterlate fingeravtrykk som kunne detekteres av LISA.

I fjor, Garcia Garcia og hennes kolleger publisert arbeid på gravitasjonsbølgesignaturen til boblevegger - energiske barrierer mellom romlommer som ble fanget i forskjellige tilstander etter hvert som universet avkjølte. Denne avkjølingen skjedde mens universet utvidet seg. Akkurat som vann koker og blir til damp, gikk universet gjennom faseoverganger. I standardmodellen var faseovergangen der en enkelt "elektrosvak" kraft delte seg i separate elektromagnetiske og svake krefter relativt jevn. Men mange utvidelser av teorien forutsier voldelige hendelser som gjorde den kosmiske suppen skummende og forstyrret, sa Dunsky, som også studerer topologiske defekter som boblevegger.

Kvantefelt som gjennomsyrer universet vårt har minimumsenergitilstander, eller grunntilstander. Og etter hvert som universet ble avkjølt, utviklet det seg nye grunntilstander med lavere energi, men et gitt felt landet ikke alltid umiddelbart i sin nye grunntilstand. Noen ble fanget i lokale energiminima - falske grunntilstander som bare virker stabile. Noen ganger ville imidlertid en liten del av universet kvantetunnel inn i den sanne tilstanden, og dannet en raskt ekspanderende boble av ekte vakuum med lavere energi enn universet utenfor.

«Disse boblene er veldig energiske; de beveger seg veldig nær lysets hastighet på grunn av denne trykkforskjellen mellom deres indre og ytre,» sa Dunsky. "Så når de kolliderer, får du denne voldsomme kollisjonen mellom disse to svært relativistiske objektene, noe som ligner på hvordan sorte hull sender ut sterke gravitasjonsbølger rett før de kolliderer."

Strenger og vegger

Mer spekulativt sett kunne faseoverganger i det tidlige universet også ha skapt strukturer kalt kosmiske strenger og domenevegger - henholdsvis enorme tråder og ark med tett energi.

Disse strukturene oppstår når et kvantefelts grunntilstand endres på en slik måte at det er mer enn én ny grunntilstand, som hver er like gyldig. Dette kan resultere i høyenergidefekter langs grensene mellom lommer i universet som tilfeldigvis falt i forskjellige, men like gunstige, grunntilstander.

Prosessen er litt som måten visse bergarter utvikler naturlig magnetisme når de avkjøles, sa Dunsky, som har gjort det studerte de observerbare fingeravtrykkene av prosessen. Ved høye temperaturer er atomer tilfeldig orientert. Men ved kjølige temperaturer blir det energetisk gunstig for dem å magnetisk justere - grunntilstanden endres. Uten noe eksternt magnetfelt for å orientere atomene, står de fritt til å stille seg opp på hvilken som helst måte. Alle "valg" er like gyldige, og forskjellige domener av mineralet vil ved en tilfeldighet ta forskjellige valg. Magnetfeltet generert av alle atomene bøyer seg dramatisk ved grensene mellom domener.

På samme måte må kvantefeltene i forskjellige regioner av universet "forandres raskt ved grensen" til disse domenene, sa han, noe som resulterer i store energitettheter ved disse grensene som "antyder tilstedeværelsen av en domenevegg eller kosmisk streng."

Disse kosmiske strengene og domeneveggene, hvis de eksisterer, ville ha strukket seg ut til å spenne over praktisk talt hele universet etter hvert som rommet utvidet seg. Disse gjenstandene produserer gravitasjonsbølger når knekk forplanter seg langs dem og når løkker svinger og danner cusps. Men energiskalaene til disse bølgene ble for det meste satt som objektene som ble dannet i de første øyeblikkene av universet. Og LISA kan oppdage dem, hvis de eksisterer.

Ekko av skapelsen

Gravitasjonsbølgene som når oss fra det veldig tidlige universet vil ikke ankomme i pent innpakket kvitring, som signalene om sorte hullkollisjoner. Fordi de skjedde så tidlig i tid, har slike signaler siden blitt strukket ut over hele verdensrommet. De vil ekko fra alle retninger, fra hvert punkt i rommet, alt på en gang - en bakgrunnsgravitasjonsbrumming.

"Du slår på detektoren din, og den er alltid der," sa Garcia Garcia.

Mønstre i denne bakgrunnen vil sannsynligvis "bare se ut som støy for den gjennomsnittlige personen," sa Sundrum. "Men i hemmelighet er det en skjult kode."

En viktig ledetråd vil være bakgrunnssignalets spektrum - dets styrke ved forskjellige frekvenser. Hvis vi tenker på et gravitasjonsbølgesignal som lyd, vil spekteret være et plott av tonehøyde versus volum. Virkelig tilfeldig hvit støy ville ha et flatt spektrum, sa Auclair. Men gravitasjonsbølger som slippes løs under faseoverganger eller kastes fra kosmiske strenger eller domenevegger ville være høyest ved spesifikke frekvenser. Auclair har jobbet med å beregne de spektrale signaturene til kosmiske strenger, som kaster ut gravitasjonsbølger ved karakteristiske bølgelengder når kinkene og løkkene deres utvikler seg. Og Caprini studier hvordan voldsomme faseoverganger ville sette sitt eget preg på gravitasjonsbølgebakgrunnen.

En annen tilnærming, som Sundrum og hans kolleger skissert i 2018 og nylig utdypet, ville være å prøve å kartlegge den generelle intensiteten til bakgrunnen over himmelen. Dette vil gjøre det mulig å se etter anisotropier, eller flekker som bare er litt høyere eller roligere enn gjennomsnittet.

"Problemet," sa Caprini, "er at denne typen signal har praktisk talt de samme egenskapene til instrumentstøyen. Så hele spørsmålet er hvordan vi skal kunne skille det når vi oppdager noe."

LISA er mer som en mikrofon enn et teleskop. I stedet for å kikke i en bestemt retning, vil den lytte til hele himmelen samtidig. Den vil høre primordiale gravitasjonsbølger hvis de er tilstede. Men den vil også høre kvitringen og hylene fra sammenslående sorte hull, nøytronstjerner og de mange parene med hvite dvergstjerner i galaksen vår. For at LISA skal oppdage en bakgrunn av primordiale gravitasjonsbølger, må alle andre signaler identifiseres nøye og fjernes. Å filtrere ut det sanne signalet fra det tidlige universet vil være som å plukke ut lyden av en vårbris på en byggeplass.

Men Sundrum velger å være håpefull. "Vi er ikke gale etter å gjøre forskningen," sa han. «Det vil være vanskelig for eksperimentelle. Det vil være vanskelig for publikum å betale for de forskjellige tingene som må gjøres. Og det vil være vanskelig for teoretikere å beregne veien forbi alle usikkerhetene og feilene og bakgrunnene og så videre.»

Men likevel, la Sundrum til, "det ser ut til å være mulig. Med litt flaks."