Na konferenci na Japonskem pred nekaj leti, David Dunsky udeležil predavanja o gravitacijskih valovih, valovanju v tkivu prostora-časa, ki nastane, ko masivni objekti, kot so zvezde in črne luknje, pospešijo.

Dunsky je bil takrat podiplomski študent fizike delcev in očitno so bili njegovi interesi drugam. Fiziki delcev iščejo temeljnejšo resnico, ki podpira fizikalna pravila, ki jih poznamo. Za preizkušanje svojih idej že dolgo uporabljajo trkalnike delcev z visoko energijo. Z razbijanjem delcev pri nedoumljivih energijah lahko ti znanstveniki odkrijejo gradnike gradnikov – visokoenergijske pojave, ki se zgodijo na kratkih razdaljah. Ti pojavi nam govorijo tudi o najzgodnejših trenutkih vesolja, ko je bilo majhno, gosto in neverjetno vroče.

Toda Dunsky je med pogovorom izvedel, da bi lahko prihodnje observatorije gravitacijskih valov, kot je predlagana vesoljska antena laserskega interferometra (LISA), uporabili za raziskovanje fizike visokih energij. LISA bi bila sposobna zaznati hipotetične objekte, imenovane kozmični nizi, ogromne niti koncentrirane energije, ki bi lahko nastale med rojstvom vesolja. »Zasvojen sem bil s poskusom razumevanja signalov gravitacijskih valov iz zgodnjega vesolja,« je dejal Dunsky, ki je zdaj kozmolog in fizik delcev na Univerzi v New Yorku, »in kako bi nam lahko povedali o zelo, zelo visokoenergijski fiziki, ki je potencialno daleč presega tisto, kar lahko trenutno zaznamo s trkalnikom.«

Njegov obrat k gravitacijskim valovom kot poti naprej za fiziko delcev ponazarja vse večje zanimanje za prihodnji eksperiment LISA in morda širši premik. Dvanajst let je minilo od zadnjega velikega odkritja na trkalniku delcev. Odkritje Higgsovega bozona v velikem hadronskem trkalniku (LHC) leta 2012 je dopolnilo standardni model fizike delcev, vladajočo teorijo znanih osnovnih delcev in sil. In čeprav so si teoretiki od takrat izmislili živalski vrt možnih teorij, ki razširjajo standardni model, ni jasno, ali lahko zgradimo trkalnike, ki bi lahko preizkusili te zamisli.

"Ljudje govorijo o izgradnji trkalnikov v naslednjih 50 letih, ki bodo 10-krat močnejši od LHC v smislu energije," je dejal Raman Sundrum, teoretični fizik delcev na Univerzi v Marylandu. Vendar pa se zdi, da bi preizkušanje velikih poenotenih teorij, ki sledijo trem silam standardnega modela do ene same osnovne sile, ki deluje na krajših razdaljah, »potrebovalo trkalnik, ki ima 10-milijardkrat večjo energijo kot LHC,« je dejal.

Česar ne moremo proizvesti v trkalniku, bomo morda lahko opazovali v naravi. Natančneje, odgovori bi lahko bili v gravitacijskih odmevih procesov, ki so se odvijali v prvih trenutkih stvarjenja, ko je bilo vesolje tako energično, da bi vladala fizika onkraj standardnega modela.

To je upanje fizikov delcev, kot sta Dunsky in Sundrum, ki zdaj iščejo LISA, da preizkusi svoje teorije. Koncept misije je bil prvič razvit v zgodnjih osemdesetih letih in uradno predlagan Evropski vesoljski agenciji (ESA) naslednje desetletje. Projekt se je nekaj časa izvajal v sodelovanju z Naso, vendar so Američani leta 1980 zaradi proračunskih težav odstopili, tako da je morala Evropa delati sama. Letos januarja pa je LISA končno dobila zeleno luč ESA, ki zdaj išče industrijske partnerje za začetek gradnje. Objava prihaja po izjemnem uspehu pilotne misije LISA Pathfinder v letih 2011 in 2015, ki je testirala ključne tehnologije prihodnjega observatorija.

LISA naj bi zdaj poletela leta 2030. Štiri leta bo njegov niz treh satelitov drvel skozi vesolje v enakostraničnem trikotniku s premerom nekaj milijonov milj in odbijal laserje od zlatih kock, ki so v popolnem prostem padu znotraj vsakega plovila, da bi zaznali valovanje v prostoru-času.

"Prvič lahko dejansko dobimo nekaj neposredno iz te zelo zgodnje dobe" vesolja, je dejal Isabel Garcia Garcia, fizik delcev in kozmolog na Univerzi v Washingtonu. Če LISA res lahko zajame prvobitne gravitacijske valove, je dodala, bo to naš prvi vpogled v prve trenutke kozmosa. "Z vidika fizike delcev je to očitno neverjetno razburljivo."

Srečna LISA

Če LISA res uspe zaznati prvobitne gravitacijske valove v naslednjem desetletju, bo to posledica izjemne kozmične sreče.

Noben teleskop ne bo nikoli razkril prvih trenutkov stvarjenja. Teleskopi vidijo v preteklost vesolja z zaznavanjem svetlobe, ki je pripotovala od daleč. Toda prvih 380,000 let po velikem poku je skritih za nekakšno kozmično zaveso. Takrat je bilo vesolje napolnjeno z ionizirano plazmo, ki je razpršila fotone, zaradi česar je bilo neprozorno za svetlobo.

Za razliko od svetlobe so lahko gravitacijski valovi prosto valovili skozi zgodnje vesolje. Obstoječi zemeljski observatoriji, kot sta LIGO in Virgo, verjetno niso občutljivi na te prvobitne valove. Toda LISA bi morda lahko slišala, kaj se je zgodilo na odru, preden se dvigne kozmična zavesa.

"Kot bi slišal nekaj v megli," je dejal Sundrum.

Tako kot zemeljski observatoriji gravitacijskih valov bo LISA zaznala valovanje v prostoru-času z uporabo laserjev za natančno merjenje razdalje vzdolž svojih "krakov" - v tem primeru črte v praznem prostoru med tremi vesoljskimi plovili v njenem trikotnem ozvezdju. Ko gre gravitacijski val mimo, raztegne in skrči prostor-čas. To ustvari rahlo razliko v dolžinah roke LISA, ki jo lahko instrument zazna s sledenjem neusklajenosti vrhov in najnižjih vrednosti laserskih žarkov. Odstranjena iz Zemljinega hrupnega okolja, bo LISA veliko bolj občutljiva od obstoječih interferometrov, kot je LIGO, ki se uporablja za zaznavanje trkov črnih lukenj in nevtronskih zvezd. Prav tako bo veliko večji; vsak njen krak bo skoraj 400-krat daljši od polmera Zemlje.

Kljub temu so spremembe v razdalji, ki jih bo LISA začutila, izjemno majhne – približno 50-krat manjše od atoma. "Če pomislite, je to precej nor koncept," je rekel Nora Lützgendorf, astrofizik pri ESA in znanstvenik projekta LISA.

Velikost in občutljivost LISA ji bosta omogočili opazovanje gravitacijskih valov, ki so veliko daljši od tistih, ki jih lahko opazujemo z zemeljskimi interferometri. LIGO lahko zaznava gravitacijske valove z valovno dolžino med približno 30 in 30,000 kilometri, LISA pa lahko zazna valove dolžine od nekaj sto tisoč kilometrov do nekaj milijard. To bo LISA omogočilo poslušanje astrofizičnih dogodkov, ki jih zemeljski observatoriji ne morejo "slišati", kot so združitve supermasivnih črnih lukenj (v nasprotju s črnimi luknjami velikosti zvezde). In LISA-in pas valovnih dolžin je prav tako velik, kot ga fiziki pričakujejo od gravitacijskih valov, ki nastanejo v prvih trenutkih po velikem poku.

Visokoenergijska fizika v zgodnjem vesolju je ustvarila gravitacijsko valovanje, in ko se je vesolje širilo in prostor raztezal, so ti valovi narasli do ogromnih razsežnosti. LISA je povsem pripravljena, da ujame valove, ustvarjene v prvih 10^-17 da 10^-10 nekaj sekund po velikem poku - praktično na začetku časa. Krajši del tega razpona, 10^-17 sekund, je obdobje tako kratko, da bi bilo v sekundi približno tolikokrat, kot je sekund v starosti vesolja.

"Obstaja ta slutnja," je rekel Chiara Caprini, teoretični kozmolog na Univerzi v Ženevi in ​​CERN-u. Obstaja ujemanje med "frekvenčnim pasom zaznavanja LISA in tem posebnim obdobjem v razvoju vesolja, ki označuje mejo našega znanja o fiziki delcev."

Onkraj standardnega modela

Do te meje standardni model odlično razlaga, kako njegova jata 17 osnovnih delcev sodeluje s tremi silami: elektromagnetno silo, močno jedrsko silo in šibko jedrsko silo. Toda kljub ogromnim uspehom nihče ne pomisli, da so ti delci in sile bistvo in konec obstoja.

Teorija ima svoje napake. Na primer, masa Higgsovega bozona — komponenta standardnega modela, ki določa mase drugih delcev — je frustrirajoče »nenaravno.” Zdi se samovoljno in presenetljivo majhno v primerjavi z veliko večjimi energijskimi lestvicami vesolja. Poleg tega standardni model ne ponuja razlage za temno snov, niti za skrivnostna temna energija ki poganja pospešeno širjenje prostora. Druga težava je, da se antimaterija in materija obnašata povsem enako pod tremi silami standardnega modela - kar očitno ni popolna zgodba, saj materija prevladuje v vesolju. In potem je tu še gravitacija. Standardni model popolnoma ignorira četrto temeljno silo, ki jo je treba opisati z uporabo lastne teorije po meri, splošne relativnostne teorije.

"Torej je veliko teoretikov, kot sem jaz, poskušalo nekoliko stisniti standardni model in ga poskušati razširiti," je dejal Pierre Auclair, teoretični kozmolog na Katoliški univerzi v Louvainu v Belgiji. Toda brez eksperimentalnih dokazov, s katerimi bi jih lahko preizkusili, te razširjene teorije ostajajo teoretične.

Auclair je teoretik. "A vseeno poskušam biti čim bolj povezan z eksperimenti," je dejal. To je eden od razlogov, da ga je pritegnila LISA. "Te razširitve običajno vodijo do različnih ekstremnih dogodkov v zgodnjem vesolju," je dejal.

Garcia Garcia je prav tako dejala, da jo je obljuba LISA o opazovalnih dokazih za visokoenergijsko fiziko pripeljala do ponovnega premisleka o svoji karieri - gravitacijski valovi bi lahko "sondirali zgodnje vesolje na način, kot ga ne more noben drug eksperiment," je dejala. Pred nekaj leti je začela preučevati gravitacijske valove in kako bo fizika onkraj standardnega modela pustila prstne odtise, ki jih bo LISA zaznala.

Lani Garcia Garcia in njeni kolegi objavljeno delo na podpisu gravitacijskih valov sten mehurčkov - energijskih ovir med žepi vesolja, ki so se ujeli v različnih stanjih, ko se je vesolje ohlajalo. To ohlajanje se je zgodilo, ko se je vesolje širilo. Tako kot voda zavre in se spremeni v paro, je šlo vesolje skozi fazne prehode. V standardnem modelu je bil fazni prehod, med katerim se je ena "elektrošibka" sila razdelila na ločene elektromagnetne in šibke sile, relativno gladek. Toda številne razširitve teorije napovedujejo nasilne dogodke, zaradi katerih je kozmična juha ostala penasta in motena, je dejal Dunsky, ki preučuje tudi topološke napake, kot so stene mehurčkov.

Kvantna polja, ki prežemajo naše vesolje, imajo stanja z minimalno energijo ali osnovna stanja. In ko se je vesolje ohlajalo, so se razvila nova osnovna stanja z nižjo energijo, vendar dano polje ni vedno takoj pristalo v svojem novem osnovnem stanju. Nekateri so se ujeli v lokalne energijske minimume - lažna osnovna stanja, ki so le videti stabilna. Včasih pa bi majhen košček vesolja s kvantnim tunelom prešel v pravo stanje in ustvaril hitro rastoči mehurček pravega vakuuma z nižjo energijo kot vesolje zunaj.

»Ti mehurčki so zelo energični; gibljejo se zelo blizu svetlobne hitrosti zaradi te razlike v tlaku med njihovo notranjostjo in zunanjostjo,« je dejal Dunsky. "Torej, ko trčita, pride do tega silovitega trka med tema dvema zelo relativističnima objektoma, nekoliko podobnega temu, kako črne luknje oddajajo močne gravitacijske valove tik pred trkom."

Strune in stene

Bolj špekulativno bi lahko fazni prehodi v zgodnjem vesolju ustvarili tudi strukture, imenovane kozmične strune in domenske stene - ogromne niti oziroma liste goste energije.

Te strukture nastanejo, ko se osnovno stanje kvantnega polja spremeni na tak način, da obstaja več kot eno novo osnovno stanje, od katerih je vsako enako veljavno. To lahko povzroči visokoenergijske napake vzdolž meja med žepi vesolja, ki so po naključju padle v različna, a enako ugodna osnovna stanja.

Proces je nekoliko podoben načinu, kako nekatere kamnine razvijejo naravni magnetizem, ko se ohladijo, je dejal Dunsky, ki je preučevali opazne prstne odtise procesa. Pri visokih temperaturah so atomi naključno usmerjeni. Toda pri nizkih temperaturah postane energijsko ugodno, da se magnetno poravnajo - osnovno stanje se spremeni. Brez nekega zunanjega magnetnega polja, ki bi usmerilo atome, se lahko svobodno postavijo v katerokoli smer. Vse "izbire" so enako veljavne in različne domene mineralov se bodo po naključju odločile drugače. Magnetno polje, ki ga ustvarjajo vsi atomi, se dramatično upogne na mejah med domenami.

Podobno se morajo kvantna polja v različnih regijah vesolja "hitro spreminjati na meji" teh domen, je dejal, kar ima za posledico velike gostote energije na teh mejah, ki "označujejo prisotnost domenske stene ali kozmičnega niza."

Te kozmične strune in domenske stene, če obstajajo, bi se raztegnile tako, da bi pokrivale praktično celotno vesolje, ko se je vesolje širilo. Ti predmeti proizvajajo gravitacijske valove, ko se pregibi širijo vzdolž njih in ko zanke nihajo in tvorijo konice. Toda energijske lestvice teh valov so bile večinoma določene kot objekti, ki so nastali v prvih trenutkih vesolja. In LISA bi jih lahko odkrila, če obstajajo.

Odmevi stvarjenja

Gravitacijski valovi, ki nas dosežejo iz zelo zgodnjega vesolja, ne bodo prispeli v lepo zapakiranih čivkah, kot so signali trkov črnih lukenj. Ker so se zgodili tako zgodaj, so bili takšni signali od takrat raztegnjeni po vsem vesolju. Odmevali bodo iz vseh smeri, iz vseh točk v vesolju, vse naenkrat – gravitacijsko brenčanje v ozadju.

"Vklopite detektor in vedno je tam," je dejal Garcia Garcia.

Vzorci v tem ozadju bi verjetno "povprečnemu človeku izgledali le kot hrup," je dejal Sundrum. "Toda na skrivaj obstaja skrita koda."

Eden od pomembnih namigov bo spekter signala v ozadju – njegova moč pri različnih frekvencah. Če si signal gravitacijskega valovanja predstavljamo kot zvok, bi bil njegov spekter krivulja višine v odvisnosti od glasnosti. Resnično naključen beli šum bi imel raven spekter, je dejal Auclair. Toda gravitacijski valovi, sproščeni med faznimi prehodi ali oddani iz kozmičnih strun ali domenskih sten, bi bili najglasnejši pri določenih frekvencah. Auclair je delal na izračunu spektralnih podpisov kozmičnih strun, ki oddajajo gravitacijske valove na značilnih valovnih dolžinah, ko se razvijajo njihovi pregibi in zanke. In Caprini Študije kako bi siloviti fazni prehodi pustili svoj pečat na ozadju gravitacijskih valov.

Drug pristop, ki ga Sundrum in njegovi kolegi začrtano v letu 2018 in nedavno izdelano, bi poskušal preslikati celotno intenzivnost ozadja po nebu. To bi omogočilo iskanje anizotropij ali zaplat, ki so le malenkost glasnejše ali tišje od povprečja.

"Problem," je dejal Caprini, "je, da ima ta vrsta signala praktično enake lastnosti hrupa instrumenta. Torej je celotno vprašanje, kako ga razlikovati, ko nekaj zaznamo.«

LISA je bolj podobna mikrofonu kot teleskopu. Namesto da bi gledal v določeno smer, bo poslušal celotno nebo hkrati. Slišala bo prvotne gravitacijske valove, če so prisotni. Slišal pa bo tudi žvrgolenje in tuljenje črnih lukenj, nevtronskih zvezd in številnih parov belih pritlikavk v naši galaksiji. Da bi LISA zaznala ozadje prvotnih gravitacijskih valov, bo treba vse druge signale natančno prepoznati in odstraniti. Filtriranje pravega signala iz zgodnjega vesolja bo podobno izločanju zvoka spomladanskega vetriča na gradbišču.

Toda Sundrum se odloči upati. "Nismo nori, da delamo raziskavo," je dejal. »Za eksperimentalce bo težko. Javnost bo težko plačala različne stvari, ki jih je treba narediti. In teoretikom bo težko izračunati svojo pot mimo vseh negotovosti, napak in ozadij in tako naprej.«

Toda kljub temu, je dodal Sundrum, "se zdi, da je to mogoče. Z malo sreče.”