Vid en konferens i Japan för några år sedan, David Dunsky deltog i ett föredrag om gravitationsvågor, krusningar i rymdtidens väv som skapas när massiva föremål som stjärnor och svarta hål accelererar.

Dunsky var en doktorand i partikelfysik vid den tiden, och hans intressen tycks ligga någon annanstans. Partikelfysiker söker den mer grundläggande sanningen som ligger till grund för de fysiska regler vi är bekanta med. De har länge använt högenergipartikelkolliderare för att testa sina idéer. Genom att slå samman partiklar med outgrundliga energier kan dessa forskare upptäcka byggstenarna i byggstenarna - de högenergifenomen som inträffar på korta skalor. Dessa fenomen berättar också om universums tidigaste ögonblick när det var litet, tätt och otroligt varmt.

Men Dunsky lärde sig vid talet att framtida gravitationsvågsobservatorier som den föreslagna Laser Interferometer Space Antenna (LISA) skulle kunna användas för att undersöka högenergifysik. LISA skulle kunna upptäcka hypotetiska objekt som kallas kosmiska strängar, stora strängar av koncentrerad energi som kan ha uppstått under universums födelse. "Jag fastnade för att försöka förstå gravitationsvågsignaler från det tidiga universum," sa Dunsky, som nu är en kosmolog och partikelfysiker vid New York University, "och hur de kunde berätta för oss om mycket, mycket högenergifysik potentiellt långt borta. utöver vad vi för närvarande kan upptäcka med en kolliderare."

Hans vändning mot gravitationsvågor som en väg framåt för partikelfysik exemplifierar ett växande intresse för det framtida LISA-experimentet och kanske ett bredare skifte. Tolv år har gått sedan den senaste stora upptäckten vid en partikelkolliderare. Upptäckten av Higgs-bosonen vid Large Hadron Collider (LHC) 2012 fullbordade standardmodellen för partikelfysik, den rådande teorin om de kända elementarpartiklarna och krafterna. Och medan teoretiker sedan dess har tänkt ut ett zoo med möjliga teorier som utökar standardmodellen, är det inte klart att vi kan bygga kolliderare som kan testa dessa idéer.

"Människor talar om att bygga kolliderar under de kommande 50 åren som är 10 gånger kraftfullare än LHC när det gäller energi," sa Raman Sundrum, en teoretisk partikelfysiker vid University of Maryland. Men att testa stora förenade teorier, som spårar standardmodellens tre krafter till en enda underliggande kraft som verkar på kortare avstånd, "skulle tyckas ta en kolliderare som har 10 miljarder gånger energin från LHC", sa han.

Det vi inte kan producera i en kolliderare kan vi kanske observera i naturen. Specifikt kan svaren ligga i gravitationsekonen av processer som utspelade sig i de första ögonblicken av skapelsen, när universum var så energiskt att fysiken bortom Standardmodellen skulle ha regerat.

Det hoppas partikelfysiker som Dunsky och Sundrum, som nu söker sig till LISA för att testa sina teorier. Uppdragskonceptet utvecklades först i början av 1980-talet och föreslogs formellt till European Space Agency (ESA) följande decennium. Projektet drevs i samarbete med NASA under en tid, men amerikanerna avböjde sig 2011 på grund av budgetproblem, vilket tvingade Europa att göra det ensamt. I januari fick LISA dock äntligen klartecken från ESA, som nu hittar branschpartners för att börja bygga. Tillkännagivandet kommer efter den rungande framgången 2015 och 2016 för ett pilotuppdrag, LISA Pathfinder, som testade det framtida observatoriets nyckelteknologier.

LISA är nu planerad att flyga på 2030-talet. Under fyra år kommer dess uppsättning av tre satelliter att tumla genom rymden i en liksidig triangel som är cirka miljoner miles tvärsöver, och studsar lasrar från de gyllene kuberna som hålls i perfekt fritt fall inom varje farkost för att känna efter krusningar i rymden.

"För första gången kan vi faktiskt få något direkt från den där mycket tidiga epok" av universum, sa Isabel Garcia Garcia, en partikelfysiker och kosmolog vid University of Washington. Om LISA verkligen kan fånga upp primordiala gravitationsvågor, tillade hon, kommer det att vara vår första glimt av kosmos första ögonblick. "Ur partikelfysikens synvinkel är det självklart otroligt spännande."

Tur LISA

Om LISA verkligen lyckas upptäcka primordiala gravitationsvågor någon gång nästa decennium, kommer det att bero på en extraordinär kosmisk tur.

Inget teleskop kommer någonsin att avslöja de första ögonblicken av skapelsen. Teleskop ser in i universums förflutna genom att upptäcka ljus som har färdats från långt borta. Men de första 380,000 XNUMX åren efter Big Bang är gömda bakom en sorts kosmisk ridå. Då var universum fyllt med joniserad plasma som spred fotoner, vilket gjorde det ogenomskinligt för ljus.

Till skillnad från ljus kunde gravitationsvågor krusa fritt genom det tidiga universum. Befintliga markbaserade observatorier som LIGO och Jungfrun är förmodligen inte känsliga för dessa urvågor. Men LISA kanske kan höra vad som hände på scenen innan den kosmiska ridån reste sig.

"Det är som att höra något i dimman", sa Sundrum.

Liksom markbaserade gravitationsvågobservatorier kommer LISA att upptäcka krusningar i rymdtid genom att använda lasrar för att exakt mäta avståndet längs dess "armar" - i det här fallet linjerna i det tomma utrymmet mellan de tre rymdfarkosterna i dess triangulära konstellation. När en gravitationsvåg passerar förbi sträcker den sig och drar ihop rumtiden. Detta skapar en liten skillnad i LISA:s armlängder, som instrumentet kan upptäcka genom att spåra felinriktningen av topparna och dalarna i dess laserstrålar. Borttagen från jordens bullriga miljö kommer LISA att vara mycket känsligare än befintliga interferometrar som LIGO, som har använts för att upptäcka kollisioner med svarta hål och neutronstjärnor. Den blir också mycket större; var och en av dess armar kommer att vara nästan 400 gånger längre än jordens radie.

Ändå är förändringarna i avståndet som LISA kommer att känna för extremt små - cirka 50 gånger mindre än en atom. "Det är ett ganska galet koncept, om man tänker efter," sa Nora Lützgendorf, en astrofysiker vid ESA och en LISA-projektforskare.

LISA:s storlek och känslighet gör att den kan observera gravitationsvågor som är mycket längre än de som kan observeras av markbaserade interferometrar. LIGO kan känna av gravitationsvågor med våglängder mellan cirka 30 och 30,000 XNUMX kilometer, men LISA kan fånga upp vågor som sträcker sig från några hundra tusen kilometer till några miljarder. Detta kommer att låta LISA lyssna på astrofysiska händelser som markbaserade observatorier inte kan "höra", såsom sammanslagningar av supermassiva svarta hål (i motsats till stjärnstora svarta hål). Och LISA:s våglängdsband råkar också vara exakt den storlek som fysiker förväntar sig av gravitationsvågor som genererades under de första ögonblicken efter Big Bang.

Högenergifysik i det tidiga universum skapade gravitationsvågor, och när universum expanderade och rymden sträcktes, sprängdes dessa vågor upp till enorma dimensioner. LISA råkar bara vara perfekt redo att fånga vågor som skapats under de första 10^-17 till 10^-10 sekunder efter Big Bang - praktiskt taget i tidens början. Den korta änden av det intervallet, 10^-17 sekunder, är en period så kort att den skulle passa ungefär lika många gånger in i en sekund som sekunder passar in i universums ålder.

"Det finns denna serendipity," sa Chiara Caprini, en teoretisk kosmolog vid universitetet i Genève och CERN. Det finns en matchning mellan "detektionsfrekvensbandet för LISA och denna speciella epok i universums utveckling som markerar gränsen för vår kunskap om partikelfysik."

Utöver standardmodellen

Fram till den gränsen gör Standardmodellen ett utmärkt jobb med att förklara hur dess flock av 17 elementarpartiklar interagerar med tre krafter: den elektromagnetiska kraften, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften. Men trots dess enorma framgångar är det ingen som tror att dessa partiklar och krafter är tillvarons vara allt och slutet.

Teorin har sina brister. Till exempel massan av Higgs boson — den komponent i standardmodellen som bestämmer massan av andra partiklar — är frustrerande "onaturligt.” Det verkar godtyckligt och förbryllande litet jämfört med universums mycket större energiskalor. Dessutom ger standardmodellen ingen förklaring till mörk materia eller för mystisk mörk energi som driver den accelererande expansionen av rymden. Ett annat problem är att antimateria och materia beter sig exakt likadant under standardmodellens tre krafter - vilket uppenbarligen inte är hela historien, eftersom materia dominerar universum. Och så finns det gravitationen. Standardmodellen ignorerar helt den fjärde fundamentala kraften, som måste beskrivas med hjälp av sin egen skräddarsydda teori, generell relativitet.

"Så många teoretiker som jag har försökt att pressa standardmodellen lite och försöka göra förlängningar av den", säger Pierre Auclair, en teoretisk kosmolog vid katolska universitetet i Louvain i Belgien. Men utan experimentella bevis för att testa dem, förblir dessa utökade teorier, ja, teoretiska.

Auclair är en teoretiker. "Men ändå försöker jag kopplas till experiment så mycket jag kan," sa han. Det är en anledning till att han drogs till LISA. "Dessa förlängningar leder vanligtvis till olika extrema händelser i det tidiga universum," sa han.

Garcia Garcia sa också att LISAs löfte om observationsbevis för högenergifysik fick henne att tänka om sin karriär - gravitationsvågor kunde "undersöka det tidiga universum på ett sätt som inget annat experiment kan", sa hon. För några år sedan började hon studera gravitationsvågor och hur fysik bortom Standardmodellen skulle lämna fingeravtryck detekterbara av LISA.

Förra året, Garcia Garcia och hennes kollegor publicerat arbete på bubbelväggarnas gravitationsvågsignatur – energiska barriärer mellan rymdfickor som fastnade i olika tillstånd när universum svalnade. Denna nedkylning skedde när universum expanderade. Precis som vatten kokar och förvandlas till ånga, gick universum igenom fasövergångar. I standardmodellen var fasövergången under vilken en enda "elektro-svag" kraft splittrades i separata elektromagnetiska och svaga krafter relativt jämn. Men många förlängningar av teorin förutspår våldsamma händelser som gjorde den kosmiska soppan skummande och störd, säger Dunsky, som också studerar topologiska defekter som bubbelväggar.

Kvantfält som genomsyrar vårt universum har minimienergitillstånd, eller grundtillstånd. Och när universum svalnade utvecklades nya grundtillstånd med lägre energi, men ett givet fält landade inte alltid omedelbart i sitt nya grundtillstånd. Vissa fastnade i lokala energiminima - falska marktillstånd som bara verkar stabila. Men ibland skulle en liten bit av universum kvanttunnel in i det sanna tillståndet, och bilda en snabbt expanderande bubbla av sant vakuum med lägre energi än universum utanför.

“De här bubblorna är väldigt energiska; de rör sig mycket nära ljusets hastighet på grund av denna tryckskillnad mellan deras inre och yttre, säger Dunsky. "Så när de kolliderar får du den här våldsamma kollisionen mellan dessa två mycket relativistiska objekt, något som liknar hur svarta hål avger starka gravitationsvågor precis innan de kolliderar."

Strängar och väggar

Mer spekulativt kan fasövergångar i det tidiga universum också ha skapat strukturer som kallas kosmiska strängar och domänväggar - enorma strängar respektive ark av tät energi.

Dessa strukturer uppstår när ett kvantfälts grundtillstånd ändras på ett sådant sätt att det finns mer än ett nytt grundtillstånd, var och en lika giltig. Detta kan resultera i högenergidefekter längs gränserna mellan fickor i universum som råkade hamna i olika, men lika gynnsamma, grundtillstånd.

Processen är lite som hur vissa stenar utvecklar naturlig magnetism när de svalnar, sa Dunsky, som har gjort det studerade de observerbara fingeravtrycken av processen. Vid höga temperaturer är atomer slumpmässigt orienterade. Men vid kalla temperaturer blir det energetiskt gynnsamt för dem att magnetiskt rikta in sig - marktillståndet förändras. Utan något externt magnetfält för att orientera atomerna, är de fria att rada upp sig hur som helst. Alla "val" är lika giltiga, och olika domäner av mineralet kommer av en slump att göra olika val. Det magnetiska fältet som genereras av alla atomer böjer sig dramatiskt vid gränserna mellan domäner.

På liknande sätt måste kvantfälten i olika regioner av universum "förändras snabbt vid gränsen" av dessa domäner, sade han, vilket resulterar i stora energitätheter vid dessa gränser som "betecknar närvaron av en domänvägg eller kosmisk sträng."

Dessa kosmiska strängar och domänväggar, om de existerade, skulle ha sträckt ut sig för att spänna över praktiskt taget hela universum när rymden expanderade. Dessa föremål producerar gravitationsvågor när veck utbreder sig längs dem och när slingor svänger och bildar spetsar. Men energiskalorna för dessa vågor var mestadels satta som objekten som bildades i universums första ögonblick. Och LISA skulle kunna upptäcka dem, om de finns.

Ekon av skapelsen

Gravitationsvågorna som når oss från det mycket tidiga universum kommer inte att anlända i prydligt förpackade pip, som signalerna från kollisioner med svarta hål. Eftersom de hände så tidigt i tiden har sådana signaler sedan sträckts ut över hela rymden. De kommer att eka från alla håll, från varje punkt i rymden, allt på en gång - ett gravitationsbrum i bakgrunden.

"Du slår på din detektor och den finns alltid där," sa Garcia Garcia.

Mönster i denna bakgrund skulle förmodligen "bara se ut som buller för den genomsnittliga personen", sa Sundrum. "Men i hemlighet finns det en dold kod."

En viktig ledtråd kommer att vara bakgrundssignalens spektrum — dess styrka vid olika frekvenser. Om vi ​​tänker på en gravitationsvågssignal som ljud, skulle dess spektrum vara en plot av tonhöjd kontra volym. Verkligen slumpmässigt vitt brus skulle ha ett platt spektrum, sa Auclair. Men gravitationsvågor som släpps lös under fasövergångar eller kastas från kosmiska strängar eller domänväggar skulle vara högst vid specifika frekvenser. Auclair har arbetat med att beräkna spektrala signaturer för kosmiska strängar, som kastar ut gravitationsvågor vid karakteristiska våglängder när deras kinks och loopar utvecklas. Och Caprini studier hur våldsamma fasövergångar skulle lämna sina egna spår på gravitationsvågens bakgrund.

Ett annat tillvägagångssätt, som Sundrum och hans kollegor skisserad 2018 och nyligen utarbetat, skulle vara att försöka kartlägga bakgrundens övergripande intensitet över himlen. Detta skulle göra det möjligt att leta efter anisotropier, eller fläckar som bara är lite högre eller tystare än genomsnittet.

"Problemet," sa Caprini, "är att den här typen av signal har praktiskt taget samma egenskaper som instrumentbruset. Så hela frågan är hur man ska kunna särskilja det när vi väl upptäcker något."

LISA är mer som en mikrofon än ett teleskop. Istället för att titta i en viss riktning kommer den att lyssna på hela himlen på en gång. Den kommer att höra urgravitationsvågor om de är närvarande. Men den kommer också att höra kvittret och tjutet från sammanslagna svarta hål, neutronstjärnor och de många paren av vita dvärgstjärnor i vår galax. För att LISA ska kunna upptäcka en bakgrund av primordiala gravitationsvågor måste alla andra signaler noggrant identifieras och tas bort. Att filtrera bort den sanna signalen från det tidiga universum kommer att vara som att plocka fram ljudet av en vårbris på en byggarbetsplats.

Men Sundrum väljer att vara hoppfull. "Vi är inte galna som gör forskningen," sa han. "Det kommer att bli svårt för experimentalister. Det kommer att bli svårt för allmänheten att betala för de olika saker som måste göras. Och det kommer att vara svårt för teoretiker att beräkna sig förbi alla osäkerheter och fel och bakgrunder och så vidare."

Men ändå, tillade Sundrum, "det verkar vara möjligt. Med lite tur."