В 2023 году физики были поражены, обнаружив почти незаметные ряби в ткани пространства и времени — объединенные в сущность, известную как пространство-время. Это были ряби, обнаруженные в связи с коллекциями быстро вращающихся нейтронных звезд, называемых «пульсарными синхронизирующими массивами».

Этот низкочастотный фоновый гул гравитационных волн в нашей Вселенной изначально приписывался изменению или «фазовому переходу», произошедшему вскоре после Большого взрыва . Однако новые исследования ставят под сомнение это предположение.

«Теоретики и экспериментаторы предположили, что гравитационные волны наногерц возникли в результате известного перехода, который произошел вскоре после Большого взрыва — изменения, которое породило массы всех известных фундаментальных частиц », — сказал в своем заявлении Эндрю Фоули, доцент Сианьского университета Цзяотун-Ливерпуль. «Однако наша работа выявляет серьезные проблемы с этим в остальном привлекательным объяснением их происхождения».

Фазовые переходы — это внезапные изменения свойств вещества, и они обычно происходят, когда определенное вещество достигает критической температуры. Фазовый переход, возможно, наиболее знакомый нам — это переход воды в лед, когда температура падает ниже нуля. Существуют также так называемые «переохлаждающие» переходы. В случае с водой переохлаждающий переход происходит, когда вещество «застревает» в своей жидкой фазе, замедляя свое превращение в лед.

Многие ученые полагают, что «фазовый переход первого рода» произошел в самом начале времен, вызвав запуск гравитационных волн или ряби в пространстве-времени. Эти волны, по мнению экспертов, могут быть использованы для определения условий, существовавших во время первой эпохи быстрой инфляции в нашей Вселенной, или, может быть, даже условий, существовавших до Большого взрыва.

Концепция гравитационных волн восходит к теории гравитации Альберта Эйнштейна 1915 года под названием « общая теория относительности ». Теория великого физика, величайшее произведение, предсказывает, что объекты с массой оказывают деформирующее воздействие на саму ткань пространства-времени. Наше физическое восприятие гравитации, утверждает теория, возникает из-за этого деформирования.

Общая теория относительности идет еще дальше, также предполагая, что когда объекты ускоряются, они генерируют рябь в пространстве-времени — также известную как гравитационные волны. Хотя это явление незначительно, когда речь идет об ускорении объектов в масштабах, которые мы наблюдаем на Земле, эффект становится значительным, когда ускорение включает массивные космические объекты, такие как сверхмассивные черные дыры и нейтронные звезды .

Например, когда эти объекты существуют в двойных системах — то есть два из них постоянно ускоряются друг вокруг друга — они непрерывно испускают гравитационные волны, пока, наконец, не столкнутся и не испустят пронзительный «визг» этих колебаний.

Кроме того, гравитационные волны, как и электромагнитное излучение , существуют в диапазоне частот. Высокочастотные гравитационные волны, как и высокочастотный свет, имеют более короткие длины волн и более энергичны; низкочастотные гравитационные волны имеют более длинные длины волн и менее энергичны. Низкочастотные длинноволновые гравитационные волны также имеют длинные «периоды», что относится к времени между одним пиком волны, проходящим заданную точку, и следующим пиком, проходящим эту точку.

Гравитационные волны, обнаруженные Североамериканской наногерцовой обсерваторией гравитационных волн (NANOGrav) в июне 2023 года, имеют более низкую частоту, чем гравитационные волны, возникающие при слияниях сверхмассивных черных дыр и нейтронных звезд, которые обычно регистрируются лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), VIRGO и KAGRA.

Это означает, что должен быть другой источник для этих низкочастотных наногерцовых гравитационных волн. Главный подозреваемый? Фазовый переход сразу после Большого взрыва — сверххолодный, если быть точным.

«Мы обнаружили, что для создания волн с такими малыми частотами переход должен быть очень холодным», — пояснил Фоули.

Однако есть проблема. Такие космические сверххолодные переходные фазы были бы немного неожиданными в период быстрой космической инфляции (другими словами, расширения Вселенной), вызванной Большим взрывом.

«Эти медленные переходы будут с трудом завершаться, поскольку скорость перехода ниже скорости космического расширения Вселенной», — сказал Фоули. «А что, если переход ускорится в конце? Мы подсчитали, что даже если это поможет переходу завершиться, это сместит частоту волн от наногерц».

Исследователь также добавил, что, хотя гравитационные волны наногерцового диапазона являются холодными, по своей природе они, вероятно, не являются «сверххолодными».

«Если эти гравитационные волны действительно возникают в результате фазовых переходов первого рода, то теперь мы знаем, что должна существовать какая-то новая, гораздо более богатая физика — физика, о которой мы пока не знаем », — сказал Фоули.

Фоули и его коллеги полагают, что их исследование демонстрирует, что для понимания сверххолодных фазовых переходов, особенно тех, которые могли произойти в начале существования Вселенной, требуется больше внимания.

«Поскольку это обязательно медленные переходы, обычные упрощения относительно того, завершаются ли переходы или нет, не сработают», — сказал он. «Существует множество тонкостей в связях между энергетической шкалой переходов и частотой волн, поэтому нам нужны более осторожные и сложные методы при рассмотрении гравитационных волн и сверххолодных переходов.

«Понимание этой области поможет нам понять самые фундаментальные вопросы о происхождении Вселенной».