Примеры результатов для моделей A, B, C и D (красный, синий, коричневый и оранжевый). Сплошные и пунктирные линии обозначают результаты, когда начальная энергия в скаляре предполагается равной 10% и 1% от полной плотности энергии Вселенной соответственно. Обратите внимание, что модель C демонстрирует многопиковые колебательные характеристики. Также показаны ограничения и чувствительность различных экспериментов GW. Источник: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021004.
Гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, которую Эйнштейн предсказал почти столетие назад, были впервые обнаружены в 2015 году. Новое исследование, проведенное Яноу Цуи, доцентом физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде, сообщает, что очень простые формы материи могут создавать обнаруживаемые гравитационные волны вскоре после Большого взрыва.
«Этот механизм создания обнаруживаемого фона гравитационных волн может пролить свет на загадочный сигнал гравитационных волн, недавно обнаруженный обсерваториями синхронизации пульсаров», — сказал Цюй. «Еще один интересный вывод заключается в том, что ту же самую форму материи можно идентифицировать как темную материю, загадочное вещество, которое, как считается, составляет большую часть массы Вселенной и озадачивает ученых на протяжении десятилетий».
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, открывает путь к открытию новой фундаментальной физики в крупнейшей лаборатории: самой Вселенной. В следующей сессии вопросов и ответов Кюи отвечает на некоторые вопросы об исследовании.
Что это за очень простые формы материи?
Простая форма материи — это разновидность сверхлегкой материи скалярного поля. Скалярность означает, что материя не имеет внутреннего вращения (спина) и подобна бозону Хиггса. Эти формы материи очень легкие, каждая из них имеет массу, равную миллионной или даже миллиардной массе электрона. Из-за своей очень малой массы они ведут себя скорее как волны, чем как частицы, и проникают во Вселенную.
Гравитационные волны (ГВ) должны иметь достаточно высокую интенсивность, аналогичную электромагнитным волнам, чтобы современные эксперименты были достаточно чувствительными для их обнаружения. Кроме того, они должны находиться в тех диапазонах частот, к которым чувствительны эти эксперименты; Из-за технологических ограничений в настоящее время можно зарегистрировать только определенные участки частоты ГВ.
Эти простые формы материи производят заметное фоновое излучение гравитационных волн вскоре после Большого взрыва и ни в какое другое время?
Да, ГВ создаются в тот момент, когда скорость расширения Вселенной примерно равна массе скалярного поля. За этой точкой он остановится, поскольку производство частиц в конечном итоге будет остановлено внутренним механизмом. Когда я говорю «вскоре после Большого взрыва», это происходит на долю секунды позже. Спустя долгое время после Большого взрыва могло произойти образование ГВ из астрофизических источников, таких как слияния черных дыр, которые наблюдала Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.
Почему эти простые формы материи не были известны раньше?
Они взаимодействуют с известной материей только посредством сверхслабых гравитационных взаимодействий. Сигнал GW, который мы продемонстрировали, является способом их обнаружения. Но если они представляют собой темную материю, мы знаем о них благодаря общим доказательствам наличия темной материи. Поскольку они взаимодействуют с видимой материей только посредством гравитации, которая очень слаба, до сих пор мы мало что знали о них.
Они говорят, что было бы интересно идентифицировать эту простую форму материи как темную материю. Не потому ли, что мы наконец узнаем, из чего состоит темная материя?
Да, это один из самых ярких моментов. Но создание обнаруживаемых ГВ также очень сложно, и мы обнаружили, что простая форма материи, возможно, темная материя, может генерировать такие ГВ – значительное теоретическое достижение. Как уже упоминалось, загадочное открытие синхронизации пульсаров в прошлом году также может быть объяснено этим механизмом.
Информация от: Калифорнийским университетом в Риверсайде.
