Kilka lat temu na konferencji w Japonii Davida Dunsky’ego uczestniczył w wykładzie na temat fal grawitacyjnych, zmarszczek w strukturze czasoprzestrzeni powstających, gdy masywne obiekty, takie jak gwiazdy i czarne dziury, przyspieszają.

Dunsky był wówczas absolwentem fizyki cząstek elementarnych i najwyraźniej jego zainteresowania skupiały się gdzie indziej. Fizycy cząstek poszukują bardziej fundamentalnej prawdy leżącej u podstaw znanych nam praw fizycznych. Do testowania swoich pomysłów od dawna używali zderzaczy cząstek wysokoenergetycznych. Łącząc ze sobą cząstki przy niezgłębionych energiach, naukowcy mogą odkryć elementy składowe elementów składowych — zjawiska wysokoenergetyczne zachodzące w skali krótkich odległości. Zjawiska te mówią nam także o najwcześniejszych momentach istnienia Wszechświata, kiedy był on malutki, gęsty i niewiarygodnie gorący.

Jednak podczas wykładu Dunsky dowiedział się, że przyszłe obserwatoria fal grawitacyjnych, takie jak proponowana antena kosmiczna z interferometrem laserowym (LISA), będą mogły zostać wykorzystane do badania fizyki wysokich energii. LISA byłaby w stanie wykryć hipotetyczne obiekty zwane strunami kosmicznymi, czyli rozległe pasma skoncentrowanej energii, które mogły powstać podczas narodzin wszechświata. „Uzależniłem się od prób zrozumienia sygnałów fal grawitacyjnych z wczesnego Wszechświata” – powiedział Dunsky, obecnie kosmolog i fizyk cząstek elementarnych na Uniwersytecie Nowojorskim – „i tego, jak mogą nam powiedzieć o fizyce bardzo, bardzo wysokich energii, potencjalnie odległych wykraczające poza to, co możemy obecnie wykryć za pomocą zderzacza”.

Jego zwrot w stronę fal grawitacyjnych jako drogi naprzód w fizyce cząstek elementarnych stanowi przykład rosnącego zainteresowania przyszłym eksperymentem LISA i być może szerszej zmiany. Minęło dwanaście lat od ostatniego ważnego odkrycia w zderzaczu cząstek. Odkrycie bozonu Higgsa w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w 2012 roku zakończyło Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych, panującą teorię znanych cząstek elementarnych i sił. I choć teoretycy wymyślili od tego czasu całe zoo możliwych teorii rozszerzających Model Standardowy, nie jest jasne, czy uda nam się zbudować zderzacze zdolne do testowania tych pomysłów.

„Ludzie mówią o zbudowaniu w ciągu najbliższych 50 lat zderzaczy, które będą 10 razy potężniejsze pod względem energii niż LHC” – powiedział Ramana Sundrum, teoretyczny fizyk cząstek elementarnych na Uniwersytecie Maryland. Jednakże testowanie wielkich ujednoliconych teorii, które śledzą trzy siły Modelu Standardowego w oparciu o jedną siłę działającą na krótszych dystansach, „wydaje się, że potrzebny byłby zderzacz o energii 10 miliardów razy większej niż LHC” – stwierdził.

Czego nie możemy wytworzyć w zderzaczu, być może uda nam się zaobserwować w naturze. W szczególności odpowiedzi mogą leżeć w echach grawitacyjnych procesów, które miały miejsce w pierwszych chwilach stworzenia, kiedy Wszechświat był tak energetyczny, że królowałaby fizyka wykraczająca poza Model Standardowy.

Na taką nadzieję mają fizycy cząstek elementarnych, tacy jak Dunsky i Sundrum, którzy obecnie oczekują od LISA przetestowania swoich teorii. Koncepcja misji została po raz pierwszy opracowana na początku lat 1980. XX wieku i formalnie zaproponowana Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) w następnej dekadzie. Projekt był przez pewien czas realizowany we współpracy z NASA, ale w 2011 roku Amerykanie wycofali się ze względów budżetowych, zmuszając Europę do działania samodzielnie. Jednak w styczniu tego roku LISA wreszcie uzyskała zgodę od ESA, która obecnie znajduje partnerów branżowych w celu rozpoczęcia budowy. Ogłoszenie następuje po ogromnym sukcesie, jaki w latach 2015 i 2016 odniosła pilotażowa misja LISA Pathfinder, w ramach której przetestowano kluczowe technologie przyszłego obserwatorium.

Obecnie lot LISA zaplanowano na lata 2030. XXI wieku. Przez cztery lata zestaw trzech satelitów będzie przemierzał przestrzeń kosmiczną w trójkącie równobocznym o średnicy kilku milionów mil, odbijając lasery od złotych kostek utrzymywanych w idealnym swobodnym spadku w każdym statku, aby wyczuć zmarszczki w czasoprzestrzeni.

„Po raz pierwszy możemy faktycznie uzyskać coś bezpośrednio z tej bardzo wczesnej epoki” Wszechświata, powiedział Isabel Garcia Garcia, fizyk cząstek elementarnych i kosmolog z Uniwersytetu Waszyngtońskiego. Dodała, że ​​jeśli LISA naprawdę będzie w stanie wychwycić pierwotne fale grawitacyjne, będzie to nasz pierwszy rzut oka na pierwsze chwile kosmosu. „Z punktu widzenia fizyki cząstek elementarnych jest to oczywiście niezwykle ekscytujące”.

Szczęśliwa LISA

Jeśli rzeczywiście LISA zdoła wykryć pierwotne fale grawitacyjne w przyszłej dekadzie, będzie to zasługa niezwykłego kosmicznego szczęścia.

Żaden teleskop nie odkryje nigdy pierwszych chwil stworzenia. Teleskopy pozwalają zajrzeć w przeszłość wszechświata, wykrywając światło przelatujące z daleka. Jednak pierwsze 380,000 XNUMX lat po Wielkim Wybuchu ukryte jest za czymś w rodzaju kosmicznej kurtyny. W tamtych czasach Wszechświat był wypełniony zjonizowaną plazmą, która rozpraszała fotony, czyniąc go nieprzezroczystym dla światła.

W przeciwieństwie do światła, fale grawitacyjne mogą swobodnie falować we wczesnym wszechświecie. Istniejące obserwatoria naziemne, takie jak LIGO i Virgo, prawdopodobnie nie są wrażliwe na te pierwotne fale. Ale LISA być może będzie w stanie usłyszeć, co wydarzyło się na scenie, zanim podniosła się kosmiczna kurtyna.

„To jakby usłyszeć coś we mgle” – powiedział Sundrum.

Podobnie jak naziemne obserwatoria fal grawitacyjnych, LISA będzie wykrywać zmarszczki w czasoprzestrzeni, używając laserów do precyzyjnego pomiaru odległości wzdłuż swoich „ramion” – w tym przypadku linii w pustej przestrzeni pomiędzy trzema statkami kosmicznymi w ich trójkątnej konstelacji. Kiedy fala grawitacyjna przechodzi obok, rozciąga się i kurczy czasoprzestrzeń. Stwarza to niewielką różnicę w długości ramion LISA, którą instrument może wykryć, śledząc niewspółosiowość szczytów i dolin wiązek laserowych. Usunięty z hałaśliwego środowiska Ziemi LISA będzie znacznie czulszy niż istniejące interferometry, takie jak LIGO, które były używane do wykrywania zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Będzie też znacznie większy; każde z jego ramion będzie prawie 400 razy dłuższe niż promień Ziemi.

Mimo to zmiany odległości, które LISA odczuje, są niezwykle małe – około 50 razy mniejsze niż atom. „To dość szalona koncepcja, jeśli się nad tym zastanowić” – powiedział Nora Lützgendorf, astrofizyk w ESA i naukowiec uczestniczący w projekcie LISA.

Rozmiar i czułość LISA umożliwią jej obserwację fal grawitacyjnych znacznie dłuższych niż te, które można zaobserwować za pomocą naziemnych interferometrów. LIGO może wykryć fale grawitacyjne o długości od około 30 do 30,000 XNUMX kilometrów, ale LISA może wychwycić fale o długości od kilkuset tysięcy kilometrów do kilku miliardów. Umożliwi to LISA podsłuchiwanie wydarzeń astrofizycznych, których obserwatoria naziemne nie mogą „usłyszeć”, takich jak łączenie się supermasywnych czarnych dziur (w przeciwieństwie do czarnych dziur wielkości gwiazd). A pasmo fal LISA również ma dokładnie taką wielkość, jakiej fizycy oczekują od fal grawitacyjnych generowanych w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu.

Fizyka wysokich energii we wczesnym wszechświecie stworzyła zmarszczki grawitacyjne, a gdy wszechświat się rozszerzał, a przestrzeń rozciągała, fale te urosły do ​​ogromnych rozmiarów. Tak się składa, że ​​LISA jest doskonale przygotowana do łapania fal powstałych w pierwszych 10^-17 do 10^-10 sekundy po Wielkim Wybuchu – praktycznie na początku czasu. Krótki koniec tego zakresu, 10^-17 sekundy to okres tak krótki, że zmieściłby się w ciągu sekundy mniej więcej tyle razy, ile sekund liczy się w wieku wszechświata.

„Jest taki zbieg okoliczności” – powiedział Chiary Caprini, kosmolog teoretyczny na Uniwersytecie Genewskim i CERN. Istnieje zgodność między „pasmem częstotliwości, w którym wykryto LISA, a tą konkretną epoką w ewolucji wszechświata, która wyznacza granicę naszej wiedzy o fizyce cząstek elementarnych”.

Poza modelem standardowym

Aż do tej granicy Model Standardowy doskonale radzi sobie z wyjaśnianiem, w jaki sposób stado 17 cząstek elementarnych oddziałuje z trzema siłami: siłą elektromagnetyczną, silnym oddziaływaniem jądrowym i słabym oddziaływaniem jądrowym. Jednak pomimo ogromnych sukcesów nikt nie uważa, że ​​te cząstki i siły są podstawą i końcem istnienia.

Teoria ma swoje wady. Na przykład masa bozonu Higgsa — składnik Modelu Standardowego, który określa masy innych cząstek — jest frustrująco „nienaturalne.” Wydaje się arbitralna i zagadkowo mała w porównaniu ze znacznie większymi skalami energetycznymi Wszechświata. Co więcej, Model Standardowy nie oferuje żadnego wyjaśnienia ciemnej materii ani tzw tajemnicza ciemna energia co napędza przyspieszającą ekspansję przestrzeni kosmicznej. Innym problemem jest to, że antymateria i materia zachowują się dokładnie tak samo pod wpływem trzech sił Modelu Standardowego – co oczywiście nie jest pełnym opisem, ponieważ materia dominuje we wszechświecie. A potem jest grawitacja. Model Standardowy całkowicie ignoruje czwartą podstawową siłę, którą należy opisać za pomocą własnej, specjalnie opracowanej teorii, ogólnej teorii względności.

„Dlatego wielu teoretyków, takich jak ja, próbowało nieco zacisnąć Model Standardowy i spróbować go rozszerzyć” – powiedział Pierre Auclair, kosmolog teoretyczny z Katolickiego Uniwersytetu w Louvain w Belgii. Jednak bez dowodów eksperymentalnych, za pomocą których można je przetestować, te rozszerzone teorie pozostają, cóż, teoretyczne.

Auclair jest teoretykiem. „Ale mimo to staram się jak najbardziej łączyć z eksperymentami” – powiedział. To jeden z powodów, dla których zainteresowała go LISA. „Te rozszerzenia zwykle prowadzą do różnych ekstremalnych zdarzeń we wczesnym wszechświecie” – powiedział.

Garcia Garcia powiedziała również, że obietnica LISA dotycząca dowodów obserwacyjnych w fizyce wysokich energii skłoniła ją do ponownego przemyślenia swojej kariery — fale grawitacyjne mogą „badać wczesny Wszechświat w sposób, w jaki żaden inny eksperyment nie jest w stanie tego zrobić” – powiedziała. Kilka lat temu zaczęła badać fale grawitacyjne i to, jak fizyka wykraczająca poza Model Standardowy pozostawiła odciski palców wykrywalne przez LISA.

W zeszłym roku Garcia Garcia i jej współpracownicy opublikowana praca na sygnaturze fali grawitacyjnej ścian bąbelków – barierach energetycznych pomiędzy kieszeniami kosmicznymi, które zostały uwięzione w różnych stanach w miarę ochładzania się Wszechświata. To ochłodzenie nastąpiło w miarę rozszerzania się wszechświata. Tak jak woda wrze i zamienia się w parę, wszechświat przeszedł przejścia fazowe. W Modelu Standardowym przejście fazowe, podczas którego pojedyncza „elektrosłaba” siła rozdzieliła się na oddzielne siły elektromagnetyczne i słabe, było stosunkowo gładkie. Jednak wiele rozszerzeń tej teorii przewiduje gwałtowne zdarzenia, które spowodowały pienienie się i zakłócenie kosmicznej zupy, powiedział Dunsky, który bada również defekty topologiczne, takie jak ściany bąbelków.

Pola kwantowe przenikające nasz wszechświat mają stany o minimalnej energii, czyli stany podstawowe. Gdy Wszechświat się ochładzał, rozwinęły się nowe stany podstawowe o niższej energii, ale dane pole nie zawsze natychmiast osiągało nowy stan podstawowy. Niektórzy utknęli w pułapce lokalnych minimów energetycznych – fałszywych stanów podstawowych, które tylko wydają się stabilne. Czasami jednak jeden mały fragment wszechświata przechodził tunelem kwantowym do stanu prawdziwego, zarodkując szybko rozszerzającą się bańkę prawdziwej próżni o energii niższej niż wszechświat na zewnątrz.

„Te bąbelki są bardzo energetyczne; poruszają się bardzo blisko prędkości światła z powodu różnicy ciśnień pomiędzy ich wnętrzem i otoczeniem” – powiedział Dunsky. „Więc kiedy się zderzają, dochodzi do gwałtownego zderzenia między tymi dwoma bardzo relatywistycznymi obiektami, nieco podobnego do tego, jak czarne dziury emitują silne fale grawitacyjne tuż przed zderzeniem”.

Struny i ściany

Bardziej spekulacyjnie, przejścia fazowe we wczesnym Wszechświecie mogły również stworzyć struktury zwane kosmicznymi strunami i ścianami domenowymi – odpowiednio ogromnymi pasmami i arkuszami gęstej energii.

Struktury te powstają, gdy stan podstawowy pola kwantowego zmienia się w taki sposób, że istnieje więcej niż jeden nowy stan podstawowy, z których każdy jest jednakowo ważny. Może to skutkować powstaniem wysokoenergetycznych defektów na granicach pomiędzy kieszeniami Wszechświata, które przypadkiem wpadają w różne, ale równie korzystne stany podstawowe.

Proces ten przypomina trochę sposób, w jaki niektóre skały rozwijają naturalny magnetyzm podczas stygnięcia, powiedział Dunsky, który to zrobił zbadał widoczne odciski palców procesu. W wysokich temperaturach atomy są zorientowane losowo. Jednak w niskich temperaturach energetycznie korzystne staje się dla nich wyrównanie magnetyczne – zmienia się stan podstawowy. Bez zewnętrznego pola magnetycznego, które orientowałoby atomy, mogą one ustawiać się w dowolną stronę. Wszystkie „wybory” są równie ważne, a różne domeny minerału przez przypadek dokonują różnych wyborów. Pole magnetyczne generowane przez wszystkie atomy załamuje się dramatycznie na granicach między domenami.

Podobnie pola kwantowe w różnych regionach Wszechświata „muszą się szybko zmieniać na granicach” tych domen – stwierdził, co skutkuje dużymi gęstościami energii na tych granicach, które „oznaczają obecność ściany domeny lub struny kosmicznej”.

Te kosmiczne struny i ściany domen, jeśli istnieją, rozciągnęłyby się, obejmując praktycznie cały wszechświat w miarę rozszerzania się przestrzeni. Obiekty te wytwarzają fale grawitacyjne, gdy wzdłuż nich rozprzestrzeniają się załamania oraz gdy pętle oscylują i tworzą wierzchołki. Jednak skale energetyczne tych fal zostały w większości ustalone jako obiekty powstałe w pierwszych chwilach istnienia wszechświata. LISA mogłaby je wykryć, jeśli istnieją.

Echa stworzenia

Fale grawitacyjne docierające do nas z bardzo wczesnego Wszechświata nie będą docierać w postaci starannie upakowanych ćwierkań, jak sygnały zderzeń czarnych dziur. Ponieważ wydarzyły się tak wcześnie, sygnały te rozeszły się po całej przestrzeni kosmicznej. Będą odbijać się echem ze wszystkich stron, z każdego punktu przestrzeni, jednocześnie — szum grawitacyjny w tle.

„Włączasz detektor, a on zawsze tam jest” – powiedział Garcia Garcia.

Wzory na tym tle prawdopodobnie „przeciętnemu człowiekowi będą wyglądać jak hałas” – stwierdził Sundrum. „Ale w tajemnicy kryje się ukryty kod”.

Ważną wskazówką będzie widmo sygnału tła – jego siła przy różnych częstotliwościach. Jeśli pomyślimy o sygnale fali grawitacyjnej jak o dźwięku, jego widmo będzie wykresem wysokości dźwięku w funkcji głośności. Prawdziwie losowy biały szum miałby płaskie widmo, powiedział Auclair. Jednak fale grawitacyjne uwalniane podczas przejść fazowych lub emitowane przez struny kosmiczne lub ściany domen byłyby najgłośniejsze przy określonych częstotliwościach. Auclair pracował nad obliczeniem sygnatur widmowych strun kosmicznych, które wyrzucają fale grawitacyjne o charakterystycznych długościach fal, gdy ewoluują ich załamania i pętle. I Capriniego badania naukowe jak gwałtowne przejścia fazowe pozostawią swój ślad na tle fali grawitacyjnej.

Inne podejście, które Sundrum i jego współpracownicy opisane w 2018 roku i ostatnio opracowanepolegałaby na próbie zmapowania ogólnej intensywności tła na niebie. Umożliwiłoby to wyszukiwanie anizotropii, czyli plam, które są tylko odrobinę głośniejsze lub cichsze niż przeciętnie.

„Problem” – powiedział Caprini – „polega na tym, że tego rodzaju sygnał ma praktycznie taką samą charakterystykę jak szum instrumentu. Zatem całe pytanie brzmi: jak to rozpoznać, gdy coś wykryjemy”.

LISA przypomina bardziej mikrofon niż teleskop. Zamiast patrzeć w określonym kierunku, będzie słuchać całego nieba na raz. Usłyszy pierwotne fale grawitacyjne, jeśli będą obecne. Ale usłyszy także ćwierkanie i wycie łączących się czarnych dziur, gwiazd neutronowych i wielu par białych karłów w naszej galaktyce. Aby LISA mogła wykryć tło pierwotnych fal grawitacyjnych, wszystkie inne sygnały będą musiały zostać dokładnie zidentyfikowane i usunięte. Odfiltrowanie prawdziwego sygnału z wczesnego Wszechświata będzie jak wyłapanie dźwięku wiosennej bryzy na placu budowy.

Ale Sundrum woli zachować nadzieję. „Nie jesteśmy szaleni, przeprowadzając badania” – powiedział. „To będzie trudne dla eksperymentatorów. Społeczeństwu będzie trudno płacić za różne rzeczy, które należy zrobić. Teoretycy będą mieli trudności z obliczeniem drogi pomimo wszystkich niepewności, błędów, tła i tak dalej”.

Mimo to Sundrum dodał: „wydaje się to możliwe. Przy odrobinie szczęścia.