_ Cum influențează „forța puternică” fundalul undelor gravitaționale

Din punct de vedere gravitațional, universul este un loc zgomotos. Un amestec de unde gravitaționale din surse necunoscute curge imprevizibil în jurul spațiului, inclusiv posibil din universul timpuriu.

Oamenii de știință au căutat semne ale acestor unde gravitaționale cosmologice timpurii, iar o echipă de fizicieni a demonstrat că astfel de undele ar trebui să aibă o semnătură distinctă datorită comportamentului quarcilor și gluonilor pe măsură ce universul se răcește. O astfel de descoperire ar avea un impact decisiv asupra modelelor care descriu cel mai bine universul aproape imediat după Big Bang. Studiul este publicat în revista Physical Review Letters.

Oamenii de știință au găsit pentru prima dată dovezi directe pentru undele gravitaționale în 2015 la interferometrele cu unde gravitaționale LIGO din SUA. Acestea sunt unde singulare (deși cu amplitudine mică) de la o anumită sursă, cum ar fi fuziunea a două găuri negre, care trec pe lângă Pământ. Astfel de unde fac ca brațele perpendiculare de 4 km ale interferometrelor să schimbe lungimea în cantități minuscule (dar diferite), diferența fiind detectată de modificările modelului de interferență rezultat pe măsură ce fasciculele laser se deplasează înainte și înapoi în brațele detectorului.

Dar există și unde gravitaționale mai mici, atât de multe încât arată ca zgomot. Oamenii de știință au căutat cu sârguință în mijlocul acestui zgomot fundalul undelor gravitaționale stocastice (stochastic înseamnă determinat aleatoriu, adică imprevizibil). Dar aceste unde gravitaționale mai mici sunt mai greu de detectat, iar oamenii de știință s-au orientat către rețele de pulsare în milisecunde, în care distanța de la Pământ la un pulsar îndepărtat este lungimea efectivă a brațului interferometrului.

Pulsari - stele neutronice rotative - trimite fascicule de radiație, câteva într-o direcție astfel încât fasciculul trece pe lângă Pământ, ca un fascicul de la un far care se rotește. Pulsarii au o perioadă de revoluție extrem de stabilă și orice măsurare a timpului de ceas ar fi subtil alterată de nenumăratele de unde gravitaționale mai mici care trec, care au lungimi de undă de ani lumină.

Anul trecut, colaborarea NANOgrav a publicat dovezi că acestea undele gravitaționale stocastice de joasă frecvență există în fundalul spațiu-timp, la fel ca și alte grupuri. Dar care este sursa lor? Fundalul provine din fenomene astrofizice, cum ar fi sute de mii de găuri negre supermasive, supernove și altele asemenea, care fuzionează?

Poate că fundalul a avut originea în universul timpuriu și undele sale s-au propagat de atunci, asemănător la fondul cosmic cu microunde care umple tot spațiul datorită decuplării fotonilor de electroni la 380.000 de ani după Big Bang. Sau altceva?

Distingerea scenariilor se confruntă cu provocări. Înțelegerea actuală a fizicii găurilor negre supermasive nu este încă suficient de dezvoltată pentru a trage concluzii ferme. Iar spectrul continuu al undelor gravitaționale de fundal depinde de detaliile microscopice ale sursei lor și necesită simulări numerice detaliate.

Această nouă lucrare oferă o modalitate de a distinge undele primare ale universului de cele din alte surse. Fizica modelului standard - teoriile de succes ale interacțiunilor puternice, slabe și electromagnetice - ar trebui să lase o amprentă distinctă pe fundalul măsurat, care este independentă de modelul exact al universului timpuriu ales.

Pe măsură ce universul s-a răcit de la începutul inițial. momentul Big Bang-ului, a trecut prin diferite faze. Unul menționat mai sus este decuplarea fotonilor după 380.000 de ani, pe măsură ce universul a devenit suficient de rece pentru ca electronii să se poată lega de protoni și să formeze atomi de hidrogen, lăsând fotonii brusc în derivă.

Dar a existat o tranziție anterioară, sau încrucișare, deoarece quarcii și gluonii liberi, care formaseră o plasmă de quarc-gluoni, s-au unit în particule individuale de doi sau mai mulți quarci lipiți împreună ca urmare a forței puternice. , cu gluoni prinși cu ei.

Acest „încrucișare cromodinamică cuantică (QCD)” este de așteptat să fi avut loc atunci când universul avea o temperatură de aproximativ un trilion de Kelvin, la aproximativ 10-5 secunde după Big Bang. Aceasta corespunde unei energii de aproximativ 100 MeV. (QCD este teoria forței puternice.)

După cum se dovedește, frecvențele nanoherți care sunt sondate de rețelele de sincronizare a pulsarilor sunt de aceeași ordine ca undele gravitaționale stocastice de joasă frecvență observabile din fundal. Încrucișarea nu creează undele, dar scăderea bruscă a numărului de particule libere schimbă ecuația care guvernează starea universului. Sursele de unde gravitaționale înainte de trecerea QCD produc un semnal de joasă frecvență care sunt afectate de această schimbare a ecuației de stare. Cercetătorii spun că semnalul poate fi acum căutat în datele matricei de temporizare a pulsarilor.

„Credem că o caracterizare precisă a fundalului undelor gravitaționale pentru diferite origini este un pas crucial pentru a avansa în această explorare.” a spus Davide Racco, coautor al lucrării de la Institutul de Fizică Teoretică al Universității Stanford.

„Subliniem o caracteristică generică și inevitabil pentru o gamă largă de fenomene primordiale pentru care ne dovedim a fi un ingredient util pentru discriminează între diferite surse ale fundalului.”

Un astfel de rezultat ar fi un impact uluitor al complexității fizicii cuantice asupra universului pe care îl vedem astăzi, demonstrând din nou modul în care fizica particulelor și cosmologia se întâlnesc pe același teren.

© 2024 Science X Network

(Fluierul)