Ni apejọ kan ni Japan ni ọdun diẹ sẹhin, David Dunsky lọ si a Ọrọ nipa walẹ igbi, ripples ni awọn fabric ti aaye-akoko da nigba ti lowo ohun bi irawọ ati dudu ihò mu yara.

Dunsky jẹ ọmọ ile-iwe mewa ni fisiksi patiku ni akoko yẹn, ati pe awọn ifẹ rẹ dabi ẹni pe o wa ni ibomiiran. Awọn onimọ-jinlẹ patiku n wa otitọ ipilẹ diẹ sii ti o n ṣe agbekalẹ awọn ofin ti ara ti a faramọ pẹlu. Wọn ti lo awọn colliders patikulu agbara-giga lati ṣe idanwo awọn imọran wọn. Nipa fifọ awọn patikulu papọ ni awọn agbara ti ko ni oye, awọn onimọ-jinlẹ wọnyi le ṣe awari awọn bulọọki ile ti awọn bulọọki ile - awọn iyalẹnu agbara giga ti o ṣẹlẹ ni awọn iwọn gigun kukuru. Awọn iyalẹnu wọnyẹn tun sọ fun wa nipa awọn akoko akọkọ ti agbaye nigbati o jẹ kekere, ipon ati igbona iyalẹnu.

Ṣugbọn Dunsky kọ ẹkọ ni ọrọ naa pe awọn akiyesi igbi walẹ ọjọ iwaju bii Antenna Space Interferometer Laser ti a dabaa (LISA) le ṣee lo lati ṣe iwadii fisiksi agbara-giga. LISA yoo ni agbara lati ṣawari awọn nkan arosọ ti a npe ni awọn okun agba aye, awọn okun ti o pọju agbara ti o le ti dide lakoko ibimọ agbaye. Dunsky, ẹni ti o jẹ onimọ-jinlẹ bayi ati onimọ-jinlẹ patikulu ni Ile-ẹkọ giga New York, sọ pe: “Mo ni ifẹnukonu lori igbiyanju lati loye awọn ifihan agbara igbi agbara lati ọrundun ibẹrẹ, ati bii wọn ṣe le sọ fun wa nipa fisiksi agbara-giga pupọ ti o le jinna. kọja ohun ti a le rii lọwọlọwọ pẹlu ikọlu. ”

Yiyi rẹ si awọn igbi walẹ bi ọna siwaju fun fisiksi patiku ṣe apẹẹrẹ iwulo ti o pọ si ni idanwo LISA iwaju ati, boya, iyipada nla kan. Ọdun mejila ti kọja lati igba ti iṣawari pataki ti o kẹhin ni apejọ patiku kan. Awari ti Higgs boson ni Large Hadron Collider (LHC) ni ọdun 2012 pari Awoṣe Standard ti fisiksi patiku, ilana ijọba ti awọn patikulu alakọbẹrẹ ti a mọ ati awọn ipa. Ati nigba ti theorists ti niwon ro soke a zoo ti ṣee ṣe imo extending awọn Standard awoṣe, o ni ko ko o pe a le kọ colliders ti o lagbara ti a igbeyewo wọnyi ero.

"Awọn eniyan n sọrọ nipa kikọ awọn ikọlu ni awọn ọdun 50 to nbọ ti o jẹ awọn akoko 10 diẹ sii ju LHC ni awọn ofin ti agbara," sọ. Raman Sundrum, a tumq si patikulu physicist ni University of Maryland. Bibẹẹkọ, idanwo awọn imọ-jinlẹ nla ti iṣọkan, eyiti o tọpa awọn ipa mẹta ti Awoṣe Standard si agbara abẹlẹ kan ti n ṣiṣẹ ni awọn ijinna kukuru, “yoo dabi ẹni pe o mu ikọlu kan eyiti o ni awọn akoko bilionu 10 ni agbara ti LHC,” o sọ.

Ohun ti a ko le gbejade ni collider, a le ni anfani lati ṣe akiyesi ni iseda. Ni pataki, awọn idahun le wa ninu awọn iwoyi gravitational ti awọn ilana ti o ṣii ni awọn akoko akọkọ ti ẹda, nigbati agbaye ni agbara pupọ pe fisiksi ti o kọja Awoṣe Standard yoo ti jọba.

Iyẹn ni ireti awọn onimọ-jinlẹ patiku bi Dunsky ati Sundrum, ti wọn n wa LISA bayi lati ṣe idanwo awọn imọ-jinlẹ wọn. Agbekale apinfunni akọkọ ni idagbasoke ni ibẹrẹ awọn ọdun 1980 ati pe o dabaa ni deede si Ile-iṣẹ Alafo Ilu Yuroopu (ESA) ni ọdun mẹwa to nbọ. Ise agbese na ni a lepa ni ifowosowopo pẹlu NASA fun akoko kan, ṣugbọn awọn Amẹrika tẹriba ni ọdun 2011 nitori awọn iṣoro isuna, ti o fi agbara mu Europe lati lọ nikan. Oṣu Kini Oṣu Kini, sibẹsibẹ, LISA nipari ni ilọsiwaju lati ọdọ ESA, eyiti o n wa awọn alabaṣiṣẹpọ ile-iṣẹ ni bayi lati bẹrẹ ikole. Ikede naa wa lẹhin aṣeyọri iyalẹnu ni ọdun 2015 ati 2016 ti iṣẹ apinfunni awakọ kan, LISA Pathfinder, eyiti o ṣe idanwo awọn imọ-ẹrọ bọtini akiyesi iwaju.

LISA ti ṣe eto bayi lati fo ni awọn ọdun 2030. Fun ọdun mẹrin, titobi ti awọn satẹlaiti mẹta yoo ṣubu nipasẹ aaye ni igun onigun mẹta ti o to diẹ ninu awọn maili miliọnu kọja, awọn lasers bouncing kuro ni awọn cubes goolu ti a tọju ni isubu ọfẹ pipe laarin iṣẹ ọnà kọọkan lati ni rilara fun awọn ripples ni akoko aaye.

“Fun igba akọkọ, a le gba ohunkan taara lati akoko akoko ibẹrẹ yẹn” ti agbaye, ni wi pe Isabel Garcia Garcia, a patiku physicist ati cosmologist ni University of Washington. Ti LISA ba le gbe awọn igbi walẹ akọkọ, o ṣafikun, yoo jẹ iwo akọkọ wa ti awọn akoko akọkọ ti cosmos. "Lati oju wiwo ti fisiksi patiku, iyẹn han gbangba pe o jẹ ohun moriwu ti iyalẹnu.”

LISA orire

Ti LISA ba ṣakoso nitootọ lati ṣe awari awọn igbi walẹ akọkọ ni igba ọdun mẹwa ti n bọ, yoo jẹ nitori ikọlu ti orire agba aye iyalẹnu.

Ko si ẹrọ imutobi ti yoo ṣafihan awọn akoko akọkọ ti ẹda. Awọn ẹrọ imutobi wo sinu aye ti o ti kọja nipasẹ wiwa ina ti o rin irin-ajo lati ọna jijin. Ṣugbọn awọn ọdun 380,000 akọkọ lẹhin Big Bang ti wa ni pamọ lẹhin iru aṣọ-ikele agba aye. Ni akoko yẹn, agbaye ti kun fun pilasima ti ionized ti o tuka awọn photon, ti o jẹ ki o komo si imọlẹ.

Láìdàbí ìmọ́lẹ̀, ìgbì òòfà lè tàn ní ọ̀fẹ̀ẹ́ gba gbogbo àgbáálá ayé ìjímìjí. Awọn akiyesi orisun-ilẹ ti o wa tẹlẹ gẹgẹbi LIGO ati Virgo jasi ko ni itara si awọn igbi alakoko wọnyi. Ṣugbọn LISA le ni anfani lati gbọ ohun ti o ṣẹlẹ ni ori itage ṣaaju ki aṣọ-ikele aye to dide.

“O dabi gbigbọ ohun kan ninu kurukuru,” Sundrum sọ.

Gẹgẹbi awọn akiyesi igbi walẹ ti o da lori ilẹ, LISA yoo ṣe awari awọn ripples ni akoko aaye nipa lilo awọn ina lesa lati ṣe iwọn ijinna ni deede lẹgbẹẹ “awọn apa” rẹ - ninu ọran yii, awọn laini ni aaye ṣofo laarin awọn ọkọ oju-ofurufu mẹta ni irawọ onigun mẹta rẹ. Nigbati igbi walẹ ba kọja, o na ati ṣe adehun akoko-aye. Eyi ṣẹda iyatọ diẹ ninu awọn ipari apa LISA, eyiti ohun elo le rii nipasẹ titọpa aiṣedeede ti awọn oke ati awọn ọpa ti awọn ina ina lesa rẹ. Yiyọ kuro ni ayika alariwo ti Earth, LISA yoo ni itara diẹ sii ju awọn interferometers ti o wa tẹlẹ bi LIGO, eyiti a ti lo lati ṣe awari iho dudu ati awọn ikọlu irawọ neutroni. Yoo tun tobi pupọ; ọkọọkan awọn apa rẹ yoo fẹrẹ to awọn akoko 400 ju radius ti Earth lọ.

Paapaa nitorinaa, awọn iyipada ni ijinna LISA yoo lero fun kere pupọ - nipa awọn akoko 50 kere ju atomiki kan. "O ni oyimbo a irikuri Erongba, ti o ba ti o ba ro nipa o,"Sa Nora Lützgendorf, Astrophysicist ni ESA ati onimọ-jinlẹ iṣẹ akanṣe LISA kan.

Iwọn LISA ati ifamọ yoo jẹ ki o ṣe akiyesi awọn igbi walẹ ti o gun ju eyiti a ṣe akiyesi nipasẹ awọn interferometers ti o da lori ilẹ. LIGO le ni imọlara awọn igbi walẹ pẹlu awọn iwọn gigun laarin awọn ibuso 30 ati 30,000, ṣugbọn LISA le gbe awọn igbi ti o wa ni gigun lati awọn ọgọọgọrun ẹgbẹrun kilomita si bilionu diẹ. Eyi yoo jẹ ki LISA tẹtisi awọn iṣẹlẹ ti astrophysical ti awọn akiyesi orisun-ilẹ ko le “gbọ,” gẹgẹbi awọn idapọ ti awọn iho dudu nla (ni idakeji si awọn iho dudu ti o ni iwọn irawọ). Ati ẹgbẹ wefulenti LISA tun ṣẹlẹ lati jẹ deede iwọn ti awọn onimọ-jinlẹ nireti lati awọn igbi walẹ ti ipilẹṣẹ ni awọn akoko akọkọ lẹhin Big Bang.

Fisiksi agbara-giga ni agbaye ibẹrẹ ṣẹda awọn ripples gravitational, ati bi agbaye ṣe fẹ sii ati aaye ti o na, awọn igbi wọnyi ti fẹ soke si awọn iwọn nla. LISA kan ṣẹlẹ lati wa ni imurasilẹ ni pipe lati mu awọn igbi ti o ṣẹda ni 10 akọkọ^-17 to 10^-10 aaya lẹhin Big Bang — Oba ni ibẹrẹ akoko. Ipari kukuru ti sakani yẹn, 10^-17 iṣẹju-aaya, jẹ akoko kukuru ti yoo baamu bii ọpọlọpọ igba sinu iṣẹju-aaya bi awọn iṣẹju-aaya ti baamu si ọjọ-ori agbaye.

"Ibanujẹ yii wa," sọ Chiara Caprini, a tumq si cosmologist ni University of Geneva ati CERN. Ibaramu kan wa laarin “igbohunsafẹfẹ igbohunsafẹfẹ ti wiwa LISA ati akoko pataki yii ni itankalẹ ti agbaye eyiti o samisi aala ti imọ wa ti fisiksi patiku.”

Ni ikọja Standard awoṣe

Titi di aala yẹn, Awoṣe Standard ṣe iṣẹ ti o dara julọ ti ṣiṣe alaye bii agbo-ẹran rẹ ti awọn patikulu alakọbẹrẹ 17 ṣe nlo pẹlu awọn ipa mẹta: agbara itanna, agbara iparun to lagbara ati agbara iparun alailagbara. Ṣugbọn pelu awọn aṣeyọri nla rẹ, ko si ẹnikan ti o ro pe awọn patikulu ati awọn ipa wọnyi jẹ ohun gbogbo ati opin-gbogbo aye.

Ilana naa ni awọn abawọn rẹ. Fun apẹẹrẹ, awọn ibi-ti Higgs boson - paati ti Standard awoṣe ti o ipinnu awọn ọpọ eniyan ti miiran patikulu - ni frustratingly “aibalẹ.” O han lainidii, ati puzzlingly kekere ni akawe si awọn iwọn agbara ti o tobi julọ ti agbaye. Jubẹlọ, awọn Standard awoṣe nfun ko si alaye fun dudu ọrọ, tabi fun awọn ohun to dudu agbara ti o iwakọ ni isare imugboroosi ti aaye. Isoro miran ni wipe antimatter ati ọrọ huwa pato kanna labẹ awọn mẹta ipa ti Standard awoṣe - eyi ti o han ni ko ni kikun itan, niwon ọrọ jẹ gaba lori awọn Agbaye. Ati lẹhinna walẹ wa. Awoṣe Standard naa kọju patapata agbara ipilẹ kẹrin, eyiti o gbọdọ ṣe apejuwe rẹ ni lilo imọ-ọrọ bespoke tirẹ, ibatan gbogbogbo.

“Nitorina ọpọlọpọ awọn onimọ-jinlẹ bii mi ti n gbiyanju lati fun Awoṣe Standard naa diẹ diẹ ati gbiyanju lati ṣe awọn amugbooro rẹ,” ni Pierre Auclair, onimọ-jinlẹ imọ-jinlẹ ni Ile-ẹkọ giga Catholic ti Louvain ni Belgium sọ. Ṣugbọn laisi ẹri idanwo pẹlu eyiti o le ṣe idanwo wọn, awọn imọ-jinlẹ ti o gbooro sii wa, daradara, imọ-jinlẹ.

Auclair jẹ onimọ-jinlẹ. "Ṣugbọn sibẹsibẹ, Mo n gbiyanju lati ni asopọ pẹlu awọn idanwo bi mo ti le ṣe," o sọ. Eyi ni idi kan ti o fa si LISA. "Awọn amugbooro wọnyi nigbagbogbo yorisi awọn iṣẹlẹ ti o yatọ pupọ ni agbaye ibẹrẹ,” o sọ.

Garcia Garcia tun sọ pe ileri LISA ti ẹri akiyesi fun fisiksi agbara-giga mu ki o tun ronu iṣẹ rẹ - awọn igbi walẹ le “ṣewadii agbaye ibẹrẹ ni ọna ti idanwo miiran ko le,” o sọ. Ni ọdun diẹ sẹhin, o bẹrẹ ikẹkọ awọn igbi walẹ ati bii fisiksi ti o kọja Awoṣe Standard yoo fi awọn ika ika ọwọ silẹ nipasẹ LISA.

Ni ọdun to kọja, Garcia Garcia ati awọn ẹlẹgbẹ rẹ atejade iṣẹ lori ibuwọlu igbi walẹ ti awọn odi ti nkuta - awọn idena agbara laarin awọn apo ti aaye ti o ni idẹkùn ni awọn ipinlẹ oriṣiriṣi bi agbaye ti tutu. Itutu agbaiye yii ṣẹlẹ bi agbaye ṣe gbooro sii. Gẹgẹ bi omi ti n ṣan ti o si yipada si nya si, Agbaye lọ nipasẹ awọn iyipada alakoso. Ninu Awoṣe Standard, iyipada alakoso lakoko eyiti ẹyọkan, “electroweak” agbara pin si itanna eletiriki lọtọ ati awọn ipa alailagbara jẹ irọrun. Ṣugbọn ọpọlọpọ awọn amugbooro ti ẹkọ naa sọ asọtẹlẹ awọn iṣẹlẹ iwa-ipa ti o fi bimo ti agba aye silẹ ati idamu, Dunsky sọ, ẹniti o tun ṣe iwadii awọn abawọn topological bii awọn odi ti nkuta.

Awọn aaye kuatomu ti o wa kaakiri agbaye wa ni awọn ipinlẹ agbara-kere, tabi awọn ipinlẹ ilẹ. Ati pe bi agbaye ti tutu, awọn ipinlẹ tuntun, awọn ipinlẹ agbara-kekere ni idagbasoke, ṣugbọn aaye ti a fun ko nigbagbogbo de ilẹ lẹsẹkẹsẹ ni ipo ilẹ tuntun rẹ. Diẹ ninu ni idẹkùn ni minima agbara agbegbe - awọn ipinlẹ ilẹ eke ti o han iduroṣinṣin nikan. Nigbakuran, botilẹjẹpe, nkan kekere kan ti agbaye yoo jẹ eefin-ọpa sinu ipo otitọ, n ṣe iparun ti nkuta ti n fẹfẹ ni iyara ti igbale otitọ pẹlu agbara kekere ju agbaye lode.

“Awọn nyoju wọnyi ni agbara pupọ; wọn n gbe ni isunmọ si iyara ina nitori iyatọ titẹ laarin inu ati ita wọn,” Dunsky sọ. “Nitorinaa nigba ti wọn ba kọlu, o gba ijamba iwa-ipa yii laarin awọn nkan isọdọmọ meji wọnyi, ni itumo bii bii awọn ihò dudu ṣe njade awọn igbi walẹ to lagbara ni kete ṣaaju ikọlu.”

Awọn okun ati Odi

Ni akiyesi diẹ sii, awọn iyipada alakoso ni agbaye ibẹrẹ le tun ti ṣẹda awọn ẹya ti a pe ni awọn okun agba aye ati awọn odi agbegbe - awọn okun nla ati awọn iwe, lẹsẹsẹ, ti agbara ipon.

Awọn ẹya wọnyi dide nigbati ipo ilẹ aaye kuatomu kan yipada ni ọna ti o ju ọkan lọ ni ipo ilẹ tuntun, ọkọọkan jẹ deede. Eyi le ja si ni awọn abawọn agbara-giga pẹlu awọn aala laarin awọn apo ti Agbaye ti o ṣẹlẹ lati ṣubu si oriṣiriṣi, ṣugbọn bakanna ni ọjo, awọn ipinlẹ ilẹ.

Ilana naa jẹ bii ọna ti awọn apata kan ṣe ndagba oofa adayeba bi wọn ṣe tutu, Dunsky sọ, ti o ni ṣe iwadi awọn ika ọwọ ti o ṣe akiyesi ti ilana. Ni awọn iwọn otutu ti o ga, awọn ọta wa ni iṣalaye laileto. Ṣugbọn ni awọn iwọn otutu ti o tutu, o di iwunilori fun wọn lati so pọ ni oofa - ipo ilẹ yipada. Laisi aaye oofa ita lati ṣe itọsọna awọn ọta, wọn ni ominira lati laini ara wọn ni ọna eyikeyi. Gbogbo “awọn yiyan” jẹ deede deede, ati awọn ibugbe oriṣiriṣi ti nkan ti o wa ni erupe ile yoo, nipasẹ aye, ṣe awọn yiyan oriṣiriṣi. Aaye oofa ti ipilẹṣẹ nipasẹ gbogbo awọn ọta tẹriba bosipo ni awọn aala laarin awọn ibugbe.

Bakanna, awọn aaye kuatomu ni awọn agbegbe oriṣiriṣi ti agbaye “gbọdọ yipada ni iyara ni aala” ti awọn agbegbe wọnyi, o sọ, ti o yọrisi awọn iwuwo agbara nla ni awọn aala wọnyi ti o “tọkasi wiwa ti ogiri agbegbe tabi okun agba aye.”

Awọn okun agba aye wọnyi ati awọn odi agbegbe, ti wọn ba wa, yoo ti na jade lati tan kaakiri gbogbo agbaye bi aaye ti gbooro sii. Awọn nkan wọnyi ṣe agbejade awọn igbi walẹ bi awọn kinks ti n tan kaakiri pẹlu wọn ati bi awọn losiwajulosehin ṣe nyọ ati ṣe awọn cusps. Ṣugbọn awọn iwọn agbara ti awọn igbi omi wọnyi ni a ṣeto pupọ julọ bi awọn nkan ti o ṣẹda ni awọn akoko akọkọ ti agbaye. Ati LISA le rii wọn, ti wọn ba wa.

Awọn iwoyi ti Ẹda

Awọn igbi walẹ ti o de ọdọ wa lati ọrundun kutukutu gan-an kii yoo de ni awọn chirps ti o ṣajọpọ daradara, bii awọn ifihan agbara ti awọn ijamba iho dudu. Nitoripe wọn ṣẹlẹ bẹ ni kutukutu akoko, iru awọn ifihan agbara lati igba ti a ti nà jade kọja gbogbo aaye. Wọn yoo ṣe iwoyi lati gbogbo itọsọna, lati gbogbo aaye ni aaye, gbogbo ni ẹẹkan — isale walẹ hum.

"O tan oluwari rẹ, ati pe o wa nigbagbogbo," Garcia Garcia sọ.

Awọn awoṣe ni abẹlẹ yii yoo ṣee ṣe “o kan dabi ariwo si eniyan apapọ,” Sundrum sọ. "Ṣugbọn ni ikoko, koodu ti o farapamọ wa."

Olobo pataki kan yoo jẹ ami iyasọtọ ti ami isale - agbara rẹ ni awọn igbohunsafẹfẹ oriṣiriṣi. Ti a ba ronu ti ifihan agbara igbi walẹ bi ohun, irisi rẹ yoo jẹ idite ti ipolowo dipo iwọn didun. Lootọ ariwo funfun laileto yoo ni iwoye alapin, Auclair sọ. Ṣugbọn awọn igbi walẹ ti njade lakoko awọn iyipada alakoso tabi simẹnti lati awọn okun agba aye tabi awọn odi agbegbe yoo pariwo julọ ni awọn igbohunsafẹfẹ pato. Auclair ti ṣiṣẹ lori ṣiṣe iṣiro awọn ibuwọlu iwoye ti awọn okun agba aye, eyiti o jabọ awọn igbi walẹ ni awọn iwọn gigun abuda nigbati awọn kinki ati awọn lupu wọn dagbasoke. Ati Caprini -ẹrọ bawo ni awọn iyipada alakoso iwa-ipa yoo ṣe fi ami tiwọn silẹ lori abẹlẹ igbi walẹ.

Ọna miiran, eyiti Sundrum ati awọn ẹlẹgbẹ rẹ ti ṣe ilana ni ọdun 2018 ati laipe elaborated, yoo jẹ lati gbiyanju lati ya aworan gbogbo kikankikan ti abẹlẹ kọja ọrun. Eyi yoo jẹ ki o ṣee ṣe lati wa awọn anisotropies, tabi awọn abulẹ ti o kan jẹ ariwo kekere kan tabi idakẹjẹ ju apapọ lọ.

"Iṣoro naa," Caprini sọ, "ni pe iru ifihan agbara ni awọn abuda kanna ti ariwo ohun elo. Nitorinaa gbogbo ibeere ni bawo ni a ṣe le ṣe iyatọ rẹ ni kete ti a ba rii nkan kan. ”

LISA dabi gbohungbohun ju ẹrọ imutobi lọ. Dipo ti wiwo ni itọsọna kan pato, yoo tẹtisi gbogbo ọrun ni ẹẹkan. Yoo gbọ awọn igbi walẹ akọkọ ti wọn ba wa. Ṣugbọn yoo tun gbọ awọn chirps ati awọn ariwo ti idapọ awọn ihò dudu, awọn irawọ neutroni ati ọpọlọpọ awọn orisii irawọ arara funfun laarin galaxy wa. Ni ibere fun LISA lati rii abẹlẹ ti awọn igbi walẹ akọkọ, gbogbo awọn ifihan agbara yoo nilo lati ṣe idanimọ ni pẹkipẹki ati yọkuro. Ṣíṣàmọ́ àmì ojúlówó òtítọ́ láti ọ̀run ayé ìjímìjí yóò dà bí yíyan ìró atẹ́gùn ìrúwé jáde ní ibi ìkọ́lé kan.

Ṣugbọn Sundrum yan lati ni ireti. “A ko ya were lati ṣe iwadii naa,” o sọ. “Yoo le fun awọn onimọran. Yoo nira fun gbogbo eniyan lati sanwo fun ọpọlọpọ awọn nkan ti o nilo lati ṣe. Ati pe yoo nira fun awọn onimọ-jinlẹ lati ṣe iṣiro ọna wọn kọja gbogbo awọn aidaniloju ati awọn aṣiṣe ati awọn ipilẹṣẹ ati bẹbẹ lọ. ”

Ṣugbọn sibẹsibẹ, Sundrum ṣafikun, “o han pe o ṣee ṣe. Pẹlu orire diẹ.”