В 2023 году научный мир был озадачен открытием обсерватории NANOGrav (Североамериканская наногерцовая гравитационно-волновая обсерватория). Исследователи зафиксировали гравитационные волны с аномально низкой частотой, лежащей в наногерцовом диапазоне. Первоначально их происхождение пытались объяснить экзотическим космическим событием — фазовым переходом, который мог произойти в первые мгновения после Большого взрыва, когда Вселенная остывала и меняла своё состояние. Однако последующие расчёты и моделирования показали, что эта гипотеза сталкивается с серьёзными противоречиями, в частности, с фундаментальными параметрами расширения нашей Вселенной.
Согласно Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, гравитационные волны представляют собой колебания самой ткани пространства-времени, которые возникают при движении и взаимодействии массивных объектов. Их можно сравнить с кругами на воде от брошенного камня, только распространяются эти «рябь» по всей Вселенной. До сих пор учёные наблюдали волны, порождённые катастрофическими событиями вроде слияния чёрных дыр или нейтронных звезд. Однако сигнал, пойманный NANOGrav, кардинально отличается: его частота настолько мала, что не может быть объяснена известными источниками, что указывает на существование более экзотических и пока не изученных механизмов.
Среди возможных источников таких волн теоретики рассматривали космические струны — гипотетические одномерные дефекты пространства-времени, первичные чёрные дыры, сформировавшиеся в ранней Вселенной, и, что наиболее популярно, фазовые переходы первого рода. Последние представляют собой резкие изменения состояния материи, подобные превращению воды в лёд, но происходящие в космологических масштабах в первые доли секунды после рождения Вселенной.
Новые данные против старой гипотезы
Недавнее исследование, опубликованное в журнале «Письма о физических отзывах», ставит под сомнение связь низкочастотных волн с фазовыми переходами. Соавтор работы Эндрю Фоули пояснил: «Хотя идея о том, что эти волны — эхо великого перехода, изменившего свойства всех элементарных частиц, очень привлекательна, наши расчёты выявили в ней критические нестыковки».
Обратите внимание: Можем ли мы использовать гравитационные волны для обнаружения других измерений?.
«Наша работа показывает серьёзные проблемы с этим объяснением», — подчеркнул учёный.Несоответствие скорости Вселенной
Ключевая проблема заключается в скорости предполагаемого перехода. Фазовый переход, способный породить волны такой низкой частоты, должен был бы протекать чрезвычайно медленно, в состоянии, которое физики называют «сверхпереохлаждением». Это аналогично тому, как вода может оставаться жидкой при температурах ниже нуля, не превращаясь в лёд. Однако, как выяснили исследователи, такой сверхмедленный переход несовместим с известной нам скоростью расширения Вселенной в ту эпоху. «Такой переход был бы медленнее, чем расширялась сама Вселенная, что физически маловероятно», — объяснил Фоли.
Учёные также проверили альтернативный сценарий, в котором переход в конце концов резко ускоряется. Оказалось, что хотя это и возможно, в таком случае генерируемые гравитационные волны имели бы частоту, значительно превышающую наногерцовый диапазон, то есть не соответствовали бы данным NANOGrav. Таким образом, если зафиксированные волны всё же являются следствием фазового перехода, то за ним должна стоять неизвестная нам физика, выходящая за рамки современных космологических моделей.
Путь к новой физике
Это открытие подчёркивает необходимость более глубокого изучения экстремальных состояний материи в ранней Вселенной и их связи с генерацией гравитационных волн. «Взаимосвязь между энергией перехода и частотой волны полна тонкостей. Нам потребуются более изощрённые и комплексные методы моделирования, чтобы разобраться в природе этих волн и механизмах сверхпереохлаждённых переходов», — отметил Фоли.
Расшифровка природы этих загадочных низкочастотных волн может пролить свет на фундаментальные вопросы космологии и привести к открытию новых физических принципов. Интересно, что подобные исследования часто имеют неожиданные приложения, помогая понять и более земные процессы, например, механизмы проникновения жидкостей в породы или динамику распространения пожаров, где также важны фазовые переходы и перенос энергии.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: В 2023 году обсерватория NANOGrav обнаружила странные гравитационные волны очень низкой частоты.