Birkaç yıl önce Japonya'da bir konferansta, David Dunsky Yerçekimi dalgaları, yıldızlar ve kara delikler gibi büyük nesnelerin hızlanmasıyla uzay-zamanın dokusunda oluşan dalgalanmalar hakkında bir konuşmaya katıldı.

Dunsky o zamanlar parçacık fiziği alanında yüksek lisans öğrencisiydi ve görünüşe göre ilgi alanları başka yerlerdeydi. Parçacık fizikçileri aşina olduğumuz fiziksel kuralların temelini oluşturan daha temel gerçeği arıyorlar. Fikirlerini test etmek için uzun süredir yüksek enerjili parçacık çarpıştırıcılarını kullanıyorlar. Bu bilim insanları, parçacıkları akıl almaz enerjilerde bir araya getirerek, yapı taşlarının yapı taşlarını, yani kısa mesafe ölçeklerinde meydana gelen yüksek enerji olaylarını keşfedebilirler. Bu fenomenler aynı zamanda bize evrenin küçük, yoğun ve inanılmaz derecede sıcak olduğu ilk anlarını da anlatıyor.

Ancak Dunsky konuşmada, önerilen Lazer Girişimölçer Uzay Anteni (LISA) gibi gelecekteki yerçekimsel dalga gözlemevlerinin yüksek enerji fiziğini araştırmak için kullanılabileceğini öğrendi. LISA, kozmik sicimler adı verilen varsayımsal nesneleri, yani evrenin doğuşu sırasında ortaya çıkmış olabilecek geniş yoğunlaştırılmış enerji şeritlerini tespit etme yeteneğine sahip olacaktır. Şu anda New York Üniversitesi'nde kozmolog ve parçacık fiziği uzmanı olan Dunsky, "Evrenin ilk dönemlerinden gelen yerçekimsel dalga sinyallerini ve bunların bize potansiyel olarak çok çok yüksek enerji fiziği hakkında nasıl bilgi verebileceğini anlamaya çalışmaktan kendimi kaptırdım" dedi. şu anda bir çarpıştırıcıyla tespit edebildiğimizin ötesinde.”

Parçacık fiziği için ileriye doğru bir yol olarak yerçekimsel dalgalara yönelmesi, gelecekteki LISA deneyine olan ilginin arttığını ve belki de daha geniş bir değişimi örnekliyor. Parçacık çarpıştırıcısındaki son büyük keşfin üzerinden on iki yıl geçti. 2012 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) Higgs bozonunun keşfi, bilinen temel parçacıklar ve kuvvetlere ilişkin hakim teori olan parçacık fiziğinin Standart Modelini tamamladı. Her ne kadar teorisyenler o zamandan beri Standart Model'i genişleten olası teorilerden oluşan bir hayvanat bahçesi düşünmüş olsa da, bu fikirleri test edebilecek çarpıştırıcılar inşa edip edemeyeceğimiz açık değil.

"İnsanlar önümüzdeki 50 yıl içinde enerji açısından LHC'den 10 kat daha güçlü çarpıştırıcılar inşa etmekten bahsediyor" dedi. Raman SundrumMaryland Üniversitesi'nde teorik parçacık fiziği uzmanı. Bununla birlikte, Standart Modelin üç kuvvetini daha kısa mesafelerde çalışan tek bir temel kuvvete kadar takip eden büyük birleşik teorileri test etmek için "LHC'nin enerjisinin 10 milyar katı enerjiye sahip bir çarpıştırıcı gerekiyor gibi görünüyor" dedi.

Çarpıştırıcıda üretemediğimiz şeyi doğada gözlemleyebiliriz. Spesifik olarak, cevaplar, evrenin Standart Modelin ötesindeki fiziğin hüküm süreceği kadar enerjik olduğu yaratılışın ilk anlarında ortaya çıkan süreçlerin çekimsel yankılarında yatıyor olabilir.

Bu, teorilerini test etmek için LISA'ya başvuran Dunsky ve Sundrum gibi parçacık fizikçilerinin umudu. Görev konsepti ilk olarak 1980'lerin başında geliştirildi ve sonraki on yılda Avrupa Uzay Ajansı'na (ESA) resmi olarak teklif edildi. Proje bir süre NASA ile işbirliği içinde yürütüldü ancak Amerikalılar 2011'de bütçe endişeleri nedeniyle projeden vazgeçti ve Avrupa bu projeyi tek başına yapmaya zorlandı. Ancak bu Ocak ayında LISA, inşaata başlamak için endüstri ortakları bulmaya çalışan ESA'dan nihayet onay aldı. Duyuru, gelecekteki gözlemevinin temel teknolojilerini test eden LISA Pathfinder adlı pilot görevin 2015 ve 2016'daki büyük başarısının ardından geldi.

LISA'nın 2030'larda uçması planlanıyor. Dört yıl boyunca, üç uydudan oluşan dizi, uzayda yaklaşık milyon mil çapında bir eşkenar üçgen şeklinde yuvarlanacak ve uzay-zamandaki dalgalanmaları hissetmek için her bir aracın içinde mükemmel bir serbest düşüşte tutulan altın küplerden lazerler yansıtacak.

"İlk defa, evrenin bu çok erken döneminden doğrudan bir şey elde edebiliriz" dedi. isabel garcia garciaWashington Üniversitesi'nde parçacık fizikçisi ve kozmolog. Eğer LISA gerçekten ilkel kütleçekimsel dalgaları yakalayabilirse, bunun evrenin ilk anlarına ilk bakışımız olacağını ekledi. "Parçacık fiziği açısından bakıldığında bu kesinlikle inanılmaz derecede heyecan verici."

Şanslı LISA

Eğer LISA gerçekten de önümüzdeki on yılda ilkel kütleçekimsel dalgaları tespit etmeyi başarırsa, bu olağanüstü kozmik şansın bir sonucu olacaktır.

Hiçbir teleskop yaratılışın ilk anlarını ortaya çıkaramaz. Teleskoplar çok uzaklardan gelen ışığı tespit ederek evrenin geçmişini görebilir. Ancak Büyük Patlama'dan sonraki ilk 380,000 yıl bir tür kozmik perdenin arkasında gizlidir. O zamanlar evren, fotonları saçarak onu ışığa karşı opak hale getiren iyonize plazmayla doluydu.

Işıktan farklı olarak kütleçekim dalgaları erken evrende serbestçe dalgalanabiliyordu. LIGO ve Başak gibi mevcut yer tabanlı gözlemevleri muhtemelen bu ilkel dalgalara duyarlı değildir. Ancak LISA, kozmik perde açılmadan önce sahnede neler olduğunu duyabilir.

Sundrum, "Siste bir şey duymak gibi" dedi.

Yer tabanlı yerçekimi dalgası gözlemevleri gibi, LISA da "kolları" boyunca mesafeyi (bu durumda üçgen takımyıldızındaki üç uzay aracı arasındaki boş uzaydaki çizgiler) hassas bir şekilde ölçmek için lazerler kullanarak uzay-zamandaki dalgalanmaları tespit edecek. Bir kütleçekim dalgası geçerken uzay-zamanı uzatır ve daraltır. Bu, LISA'nın kol uzunluklarında hafif bir fark yaratır; cihaz, lazer ışınlarının tepe ve dip noktalarındaki yanlış hizalamayı takip ederek bunu tespit edebilir. Dünyanın gürültülü ortamından uzaklaştırılan LISA, kara delik ve nötron yıldızı çarpışmalarını tespit etmek için kullanılan LIGO gibi mevcut girişimölçerlerden çok daha hassas olacak. Aynı zamanda çok daha büyük olacak; kollarından her biri Dünya'nın yarıçapından yaklaşık 400 kat daha uzun olacak.

Buna rağmen LISA'nın algılayacağı mesafedeki değişiklikler son derece küçüktür; bir atomdan yaklaşık 50 kat daha küçüktür. "Düşünürseniz bu oldukça çılgın bir kavram" dedi Nora LützgendorfESA'da astrofizikçi ve LISA projesi bilim insanı.

LISA'nın boyutu ve hassasiyeti, yer tabanlı girişimölçerlerle gözlemlenebilenlerden çok daha uzun olan yerçekimsel dalgaları gözlemlemesine olanak tanıyacak. LIGO, dalga boyları yaklaşık 30 ila 30,000 kilometre arasında olan yerçekimsel dalgaları algılayabilir, ancak LISA, uzunlukları birkaç yüz bin kilometreden birkaç milyara kadar değişen dalgaları algılayabilir. Bu, LISA'nın süper kütleli kara deliklerin birleşmesi (yıldız büyüklüğündeki kara deliklerin aksine) gibi yer tabanlı gözlemevlerinin "duyamadığı" astrofizik olaylarını dinlemesine olanak tanıyacak. Ve LISA'nın dalga boyu bandı da fizikçilerin Büyük Patlama'dan sonraki ilk anlarda oluşan kütleçekim dalgalarından bekledikleri büyüklüktedir.

Evrenin erken dönemlerindeki yüksek enerji fiziği yerçekimsel dalgalanmalar yarattı ve evren genişledikçe ve uzay genişledikçe bu dalgalar muazzam boyutlara ulaştı. LISA ilk 10'da yaratılan dalgaları yakalamaya mükemmel bir şekilde hazır.^-17 10 için^-10 Büyük Patlama'dan saniyeler sonra - neredeyse zamanın başlangıcında. Bu aralığın kısa ucu, 10^-17 saniye, o kadar kısa bir periyottur ki, bir saniyeye, evrenin yaşına sığan saniyelerin sayısı kadar sığabilir.

"Böyle bir tesadüf var" dedi Chiara CapriniCenevre Üniversitesi ve CERN'de teorik kozmolog. "LISA'nın tespit frekans bandı ile evrenin evrimindeki parçacık fiziği bilgimizin sınırını işaret eden bu özel dönem arasında bir eşleşme var."

Standart Modelin Ötesinde

Bu sınıra kadar Standart Model, 17 temel parçacıktan oluşan sürünün üç kuvvetle nasıl etkileşime girdiğini açıklamakta mükemmel bir iş çıkarıyor: elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet. Ancak muazzam başarılarına rağmen hiç kimse bu parçacıkların ve kuvvetlerin varoluşun esası ve sonu olduğunu düşünmüyor.

Teorinin kusurları var. Örneğin, Higgs bozonunun kütlesi — Standart Modelin diğer parçacıkların kütlelerini belirleyen bileşeni — sinir bozucu derecede “doğal olmayan.” Evrenin çok daha büyük enerji ölçekleriyle karşılaştırıldığında keyfi ve şaşırtıcı derecede küçük görünüyor. Üstelik Standart Model karanlık maddeye veya karanlık maddeye ilişkin hiçbir açıklama sunmamaktadır. gizemli karanlık enerji uzayın hızlanarak genişlemesini sağlayan şey. Diğer bir sorun da, antimadde ve maddenin Standart Model'in üç kuvveti altında tam olarak aynı şekilde davranmasıdır; madde evrene hakim olduğundan bu kesinlikle hikâyenin tamamı değildir. Ve sonra yerçekimi var. Standart Model, kendi özel teorisi olan genel görelilik kullanılarak tanımlanması gereken dördüncü temel kuvveti tamamen göz ardı ediyor.

Belçika'daki Louvain Katolik Üniversitesi'nden teorik kozmolog Pierre Auclair, "Benim gibi pek çok teorisyen, Standart Modeli biraz sıkıştırıp genişletmeye çalışıyor" dedi. Ancak onları test edecek deneysel kanıtlar olmadığında, bu genişletilmiş teoriler teorik olarak kalıyor.

Auclair bir teorisyendir. "Ama yine de elimden geldiğince deneylerle bağlantı kurmaya çalışıyorum" dedi. LISA'ya çekilmesinin bir nedeni de buydu. "Bu uzantılar genellikle erken evrende farklı aşırı olaylara yol açıyor" dedi.

Garcia Garcia da aynı şekilde LISA'nın yüksek enerji fiziği için gözlemsel kanıt vaadinin onu kariyerini yeniden düşünmeye yönelttiğini söyledi; yerçekimi dalgaları "erken evreni başka hiçbir deneyin yapamayacağı şekilde araştırabilir" dedi. Birkaç yıl önce yerçekimi dalgaları ve Standart Modelin ötesindeki fiziğin parmak izlerini LISA tarafından nasıl tespit edilebilir bırakacağı üzerine çalışmaya başladı.

Geçen yıl Garcia Garcia ve meslektaşları yayınlanmış iş Kabarcık duvarlarının yerçekimsel dalga imzası üzerinde - evren soğudukça farklı durumlarda hapsolmuş uzay cepleri arasındaki enerjik bariyerler. Bu soğuma evren genişledikçe meydana geldi. Suyun kaynayıp buhara dönüşmesi gibi, evren de faz geçişlerinden geçti. Standart Modelde, tek bir "elektrozayıf" kuvvetin ayrı elektromanyetik ve zayıf kuvvetlere bölündüğü faz geçişi nispeten düzgündü. Ancak kabarcık duvarlar gibi topolojik kusurlar üzerinde de çalışan Dunsky, teorinin birçok uzantısının kozmik çorbayı köpüklü ve rahatsız eden şiddetli olayları öngördüğünü söyledi.

Evrenimize nüfuz eden kuantum alanları minimum enerji durumlarına veya temel durumlara sahiptir. Evren soğudukça yeni, daha düşük enerjili temel durumlar gelişti, ancak belirli bir alan her zaman hemen yeni temel durumuna inmedi. Bazıları yerel enerji minimumlarında, yani yalnızca kararlı görünen sahte temel durumlarda sıkışıp kaldı. Ancak bazen evrenin küçük bir parçası gerçek duruma kuantum tüneli açarak dışarıdaki evrenden daha düşük bir enerjiye sahip, hızla genişleyen bir gerçek vakum balonunu çekirdeklendirebilir.

“Bu baloncuklar çok enerjik; Dunsky, iç ve dış kısımları arasındaki basınç farkından dolayı ışık hızına çok yakın hareket ettiklerini söyledi. "Yani çarpıştıklarında, bu iki göreceli nesne arasında şiddetli bir çarpışma oluyor; bu, kara deliklerin çarpışmadan hemen önce güçlü yerçekimsel dalgalar yaymasına benzer."

İpler ve Duvarlar

Daha spekülatif olarak, erken evrendeki faz geçişleri aynı zamanda kozmik sicimler ve etki alanı duvarları adı verilen yapıları (sırasıyla yoğun enerjiden oluşan muazzam iplikçikler ve tabakalar) yaratmış olabilir.

Bu yapılar, bir kuantum alanının temel durumu, her biri eşit derecede geçerli olan birden fazla yeni temel durum olacak şekilde değiştiğinde ortaya çıkar. Bu, evrenin farklı ama aynı derecede elverişli temel durumlarına düşen cepleri arasındaki sınırlar boyunca yüksek enerji kusurlarına neden olabilir.

Dunsky, bu sürecin, bazı kayaların soğudukça doğal manyetizma geliştirmesine benzediğini söyledi. gözlemlenebilir parmak izlerini inceledi sürecin. Yüksek sıcaklıklarda atomlar rastgele yönlendirilir. Ancak düşük sıcaklıklarda, manyetik olarak hizalanmaları enerji açısından uygun hale gelir; temel durum değişir. Atomları yönlendirecek bir dış manyetik alan olmadığında, atomlar kendilerini herhangi bir şekilde hizalamakta özgürdürler. Tüm "seçimler" eşit derecede geçerlidir ve madenin farklı alanları şans eseri farklı seçimler yapacaktır. Tüm atomlar tarafından üretilen manyetik alan, alanlar arasındaki sınırlarda dramatik bir şekilde bükülür.

Benzer şekilde, evrenin farklı bölgelerindeki kuantum alanlarının, bu alanların "sınırlarında hızla değişmesi gerektiğini", bunun da bu sınırlarda "bir alan duvarı veya kozmik sicimin varlığına işaret eden" büyük enerji yoğunluklarına yol açtığını söyledi.

Bu kozmik sicimler ve etki alanı duvarları, eğer mevcut olsalardı, uzay genişledikçe neredeyse tüm evreni kapsayacak şekilde uzanmış olacaklardı. Bu nesneler, kıvrımlar yanlarında yayıldıkça ve döngüler salınıp uçlar oluşturdukça yerçekimsel dalgalar üretir. Ancak bu dalgaların enerji ölçekleri çoğunlukla evrenin ilk anlarında oluşan nesnelere göre belirlenmişti. Ve eğer varsa, LISA bunları tespit edebilir.

Yaradılışın Yankıları

Evrenin en erken dönemlerinden bize ulaşan kütleçekim dalgaları, kara delik çarpışmalarının sinyalleri gibi düzgünce paketlenmiş cıvıltılar halinde ulaşmayacak. Zamanın çok erken bir döneminde meydana geldikleri için, bu tür sinyaller o zamandan beri tüm uzaya yayıldı. Uzayın her noktasından, her yönden, aynı anda yankılanacaklar; arka planda yerçekimsel bir uğultu.

Garcia Garcia, "Dedektörünüzü açıyorsunuz ve o her zaman oradadır" dedi.

Sundrum, bu arka plandaki desenlerin muhtemelen "ortalama bir insana gürültü gibi görüneceğini" söyledi. "Ama gizlice gizli bir kod var."

Önemli bir ipucu, arka plan sinyalinin spektrumu, yani farklı frekanslardaki gücü olacaktır. Yerçekimi dalgası sinyalini ses olarak düşünürsek, spektrumu sesin perdeye karşı bir grafiği olacaktır. Auclair, gerçekten rastgele beyaz gürültünün düz bir spektruma sahip olacağını söyledi. Ancak faz geçişleri sırasında açığa çıkan veya kozmik sicimlerden veya alan duvarlarından yayılan kütleçekim dalgaları, belirli frekanslarda en yüksek sese sahip olacaktır. Auclair, kıvrımları ve döngüleri geliştikçe karakteristik dalga boylarında yerçekimsel dalgalar yayan kozmik sicimlerin spektral imzalarını hesaplamak üzerinde çalıştı. Ve Caprini çalışmalar şiddetli faz geçişleri yerçekimsel dalganın arka planında nasıl kendi izlerini bırakacaktı.

Sundrum ve meslektaşlarının önerdiği başka bir yaklaşım 2018 yılında özetlenen ve son zamanlarda detaylandırılmış, gökyüzündeki arka planın genel yoğunluğunu haritalandırmaya çalışmak olacaktır. Bu, anizotropilerin veya ortalamadan biraz daha yüksek veya daha sessiz olan yamaların aranmasını mümkün kılacaktır.

Caprini, "Sorun şu ki, bu tür bir sinyal neredeyse enstrüman gürültüsüyle aynı özelliklere sahip. Yani asıl soru, bir şeyi tespit ettiğimizde onu nasıl ayırt edebileceğimizdir."

LISA bir teleskoptan ziyade mikrofona benzer. Belirli bir yöne bakmak yerine tüm gökyüzünü aynı anda dinleyecek. Eğer mevcutsa, ilksel yer çekimi dalgalarını duyacaktır. Ama aynı zamanda galaksimizdeki birleşen kara deliklerin, nötron yıldızlarının ve çok sayıda beyaz cüce yıldız çiftinin cıvıltılarını ve uğultularını da duyacak. LISA'nın ilkel kütleçekim dalgalarının arka planını tespit edebilmesi için diğer tüm sinyallerin dikkatlice tanımlanması ve kaldırılması gerekecektir. Erken evrenden gelen gerçek sinyali filtrelemek, bir inşaat sahasında bahar esintisinin sesini seçmek gibi olacaktır.

Ancak Sundrum umutlu olmayı seçiyor. "Araştırma yapacak kadar deli değiliz" dedi. “Deneyselciler için zor olacak. Yapılması gereken çeşitli işler için halkın ödeme yapması zor olacak. Ve teorisyenlerin tüm belirsizlikleri, hataları, arka planları vb. aşarak yollarını hesaplamaları zor olacak.”

Ancak yine de Sundrum şunu ekledi: "Mümkün görünüyor. Biraz şansla.”