Az ősrobbanás felfedezésének reményei egy jövőbeli űrhajón utaznak | Quanta Magazin

Néhány évvel ezelőtt egy japán konferencián David Dunsky részt vett egy előadáson a gravitációs hullámokról, a téridő szövetének hullámairól, amelyek akkor keletkeznek, amikor a hatalmas objektumok, például a csillagok és a fekete lyukak felgyorsulnak.

Dunsky abban az időben részecskefizika végzős hallgatója volt, és látszólag máshol érdekelte. A részecskefizikusok az általunk ismert fizikai szabályok alaposabb igazságát keresik. Régóta használnak nagy energiájú részecskeütközőket ötleteik tesztelésére. A részecskék felmérhetetlen energiákkal történő összetörésével ezek a tudósok felfedezhetik az építőelemek építőköveit – azokat a nagy energiájú jelenségeket, amelyek rövid távolságon történnek. Ezek a jelenségek a világegyetem legkorábbi pillanatairól is mesélnek, amikor kicsi, sűrű és hihetetlenül meleg volt.

Dunsky azonban a beszélgetés során megtudta, hogy a jövőbeni gravitációs hullám-obszervatóriumok, például a javasolt lézerinterferométer űrantenna (LISA) felhasználhatók nagyenergiájú fizika vizsgálatára. A LISA képes lenne kimutatni a kozmikus húroknak nevezett hipotetikus objektumokat, a koncentrált energia hatalmas szálait, amelyek az univerzum születése során keletkezhettek. „Elkaptam, hogy megpróbáljuk megérteni a korai univerzum gravitációs hullámjeleit” – mondta Dunsky, aki jelenleg kozmológus és részecskefizikus a New York-i Egyetemen. túl azon, amit jelenleg egy ütközővel észlelni tudunk.”

A gravitációs hullámok felé fordulása, mint a részecskefizika felé vezető út, jól példázza a jövőbeli LISA-kísérlet iránti növekvő érdeklődést, és talán egy szélesebb körű elmozdulást. Tizenkét év telt el a részecskeütköztető utolsó jelentős felfedezése óta. A Higgs-bozon felfedezése a Large Hadron Colliderben (LHC) 2012-ben tette teljessé a részecskefizika standard modelljét, az ismert elemi részecskék és erők uralkodó elméletét. És bár a teoretikusok azóta kitalálták a lehetséges elméletek állatkertjét a Standard Modell kiterjesztésére, nem világos, hogy tudunk-e olyan ütköztetőket építeni, amelyek képesek tesztelni ezeket az elképzeléseket.

„Az emberek arról beszélnek, hogy az elkövetkező 50 évben olyan ütköztetőket kell építeni, amelyek energia tekintetében 10-szer erősebbek, mint az LHC” – mondta. Raman Sundrum, a Marylandi Egyetem elméleti részecskefizikusa. Azonban a nagy egységes elméletek tesztelése, amelyek a Standard Modell három erejét egyetlen, rövidebb távolságokon működő mögöttes erőre vezetik le, „úgy tűnik, hogy olyan ütközőt vesz igénybe, amelynek 10 milliárdszorosa az LHC energiájának” – mondta.

Amit nem tudunk előállítani egy ütközőben, azt talán a természetben is megfigyelhetjük. Konkrétan a válaszok a folyamatok gravitációs visszhangjaiban rejlenek, amelyek a teremtés első pillanataiban bontakoztak ki, amikor az univerzum olyan energikus volt, hogy a Standard Modellen túlmutató fizika uralkodott volna.

Ebben reménykednek olyan részecskefizikusok, mint Dunsky és Sundrum, akik most a LISA segítségével próbálják tesztelni elméleteiket. A küldetés koncepcióját először az 1980-as évek elején dolgozták ki, és a következő évtizedben hivatalosan is javasolták az Európai Űrügynökségnek (ESA). A projektet egy ideig a NASA-val együttműködve folytatták, de az amerikaiak 2011-ben költségvetési aggodalmak miatt meghajoltak, így Európát egyedül kellett folytatni. Idén januárban azonban a LISA végre engedélyt kapott az ESA-tól, amely most iparági partnereket keres az építkezés megkezdéséhez. A bejelentés a 2015-ös és 2016-os kísérleti küldetés, a LISA Pathfinder óriási sikere után történt, amely a jövőbeli obszervatórium kulcstechnológiáit tesztelte.

A LISA a tervek szerint a 2030-as években fog repülni. Négy éven át három műholdból álló tömbje néhány millió mérföld átmérőjű egyenlő oldalú háromszögben bukdácsol az űrben, lézereket verve vissza a tökéletes szabadesésben tartott aranykockákról az egyes hajókon belül, hogy érezzék a téridő hullámzását.

„Először lehet, hogy valóban kapunk valamit közvetlenül az univerzum korai korszakából” – mondta. Isabel Garcia Garcia, részecskefizikus és kozmológus a Washingtoni Egyetemen. Ha a LISA valóban képes felvenni az ősi gravitációs hullámokat, akkor ez lesz az első pillantásunk a kozmosz első pillanataira. "A részecskefizika szempontjából ez nyilvánvalóan hihetetlenül izgalmas."

Szerencsés LISA

Ha valamikor a következő évtizedben a LISA-nak valóban sikerül észlelnie az ősi gravitációs hullámokat, az egy rendkívüli kozmikus szerencse következménye.

Egyetlen távcső sem fedi fel a teremtés első pillanatait. A teleszkópok az univerzum múltjába látnak azáltal, hogy érzékelik a messziről érkező fényt. Az Ősrobbanás utáni első 380,000 XNUMX év azonban egyfajta kozmikus függöny mögé rejtőzik. Akkoriban az univerzum tele volt ionizált plazmával, amely szétszórta a fotonokat, így fény átlátszatlanná tette.

A fénnyel ellentétben a gravitációs hullámok szabadon fodrozódhattak a korai univerzumban. A létező földi obszervatóriumok, például a LIGO és a Virgo valószínűleg nem érzékenyek ezekre az őshullámokra. De LISA talán hallhatja, mi történt a színpadon, mielőtt a kozmikus függöny felemelkedett volna.

„Mintha a ködben hallanék valamit” – mondta Sundrum.

A földi gravitációs hullámok megfigyelőközpontjaihoz hasonlóan a LISA is érzékeli a téridő hullámzását, lézerek segítségével, hogy pontosan megmérje a távolságot a „karjai” mentén – ebben az esetben a háromszög alakú csillagképben lévő három űrszonda közötti üres térben lévő vonalak. Amikor egy gravitációs hullám elhalad mellette, megnyúlik és összehúzza a téridőt. Ez enyhe különbséget hoz létre a LISA karhosszában, amelyet a műszer a lézersugarak csúcsainak és mélyedéseinek eltolódásának nyomon követésével észlel. A Föld zajos környezetéből eltávolítva a LISA sokkal érzékenyebb lesz, mint a meglévő interferométerek, mint például a LIGO, amelyet fekete lyukak és neutroncsillagok ütközésének észlelésére használtak. Sokkal nagyobb is lesz; mindegyik karja közel 400-szor hosszabb lesz, mint a Föld sugara.

Ennek ellenére a LISA által érzékelt távolság változásai rendkívül kicsik – körülbelül 50-szer kisebbek, mint egy atom. „Ez elég őrült koncepció, ha jobban belegondolunk” – mondta Nora Lützgendorf, az ESA asztrofizikusa és a LISA projekt tudósa.

A LISA mérete és érzékenysége lehetővé teszi, hogy olyan gravitációs hullámokat figyeljen meg, amelyek sokkal hosszabbak, mint a földi interferométerekkel megfigyelhető hullámok. A LIGO képes érzékelni a körülbelül 30 és 30,000 XNUMX kilométer közötti hullámhosszú gravitációs hullámokat, de a LISA néhány százezer kilométertől néhány milliárdig terjedő hosszúságú hullámokat képes felfogni. Ez lehetővé teszi a LISA számára, hogy meghallgassa az olyan asztrofizikai eseményeket, amelyeket a földi obszervatóriumok nem „hallhatnak”, például a szupermasszív fekete lyukak egyesülését (szemben a csillagméretű fekete lyukakkal). És a LISA hullámhossz-sávja is pontosan akkora, mint amit a fizikusok az Ősrobbanás utáni első pillanatokban generált gravitációs hullámoktól várnak.

A nagyenergiájú fizika a korai univerzumban gravitációs hullámokat hozott létre, és ahogy az univerzum tágul, és a tér nyúlt, ezek a hullámok hatalmas méreteket öltöttek. A LISA véletlenül tökéletesen alkalmas arra, hogy elkapja az első 10-ben keletkezett hullámokat^-17 A 10^-10 másodpercekkel az ősrobbanás után – gyakorlatilag az idők kezdetén. Ennek a tartománynak a rövid vége, 10^-17 másodperc, olyan rövid időszak, hogy körülbelül annyiszor férne bele egy másodpercbe, mint ahány másodperc belefér az univerzum korába.

„Van ez a borzalom” – mondta Chiara Caprini, a Genfi Egyetem és a CERN elméleti kozmológusa. Egyezés van „a LISA észlelésének frekvenciasávja és az univerzum fejlődésének e korszaka között, amely a részecskefizikai tudásunk határát jelöli”.

A standard modellen túl

Egészen addig a határig a Standard Modell kiváló munkát végez annak elmagyarázására, hogy 17 elemi részecskéből álló csapata hogyan lép kölcsönhatásba három erővel: az elektromágneses erővel, az erős nukleáris erővel és a gyenge nukleáris erővel. De a hatalmas sikerek ellenére senki sem gondolja, hogy ezek a részecskék és erők a létezés mindene és vége.

Az elméletnek megvannak a maga hibái. Például a a Higgs-bozon tömege — a Standard Modell más részecskék tömegét meghatározó összetevője — az elkeserítően „természetellenes.” Önkényesnek tűnik, és az univerzum sokkal nagyobb energiaskáláihoz képest rejtélyesen kicsinek. Ráadásul a Standard Modell nem ad magyarázatot a sötét anyagra, sem a titokzatos sötét energia ami a tér gyorsuló tágulását hajtja. Egy másik probléma az, hogy az antianyag és az anyag pontosan ugyanúgy viselkedik a Standard Modell három ereje alatt – ami nyilvánvalóan nem a teljes történet, mivel az anyag uralja az univerzumot. És akkor ott van a gravitáció. A Standard Modell teljesen figyelmen kívül hagyja a negyedik alapvető erőt, amelyet saját testreszabott elméletével, az általános relativitáselmélettel kell leírni.

„Tehát sok hozzám hasonló teoretikus próbált egy kicsit megszorítani a Standard modellt, és megpróbálta kiterjeszteni azt” – mondta Pierre Auclair, a belgiumi Louvaini Katolikus Egyetem elméleti kozmológusa. De kísérleti bizonyítékok nélkül, amelyekkel tesztelni lehetne őket, ezek a kiterjesztett elméletek elméletiek maradnak.

Auclair teoretikus. "De ennek ellenére igyekszem a lehető legtöbbet összekapcsolni a kísérletekkel" - mondta. Ez az egyik oka annak, hogy LISA vonzotta. "Ezek a kiterjesztések általában különböző szélsőséges eseményekhez vezetnek a korai univerzumban" - mondta.

Garcia Garcia is azt mondta, hogy a LISA ígérete a nagyenergiájú fizika megfigyelési bizonyítékaira késztette őt arra, hogy újragondolja pályafutását – a gravitációs hullámok „olyan módon szondázhatják meg a korai univerzumot, ahogyan azt más kísérlet nem teszi lehetővé” – mondta. Néhány évvel ezelőtt elkezdte tanulmányozni a gravitációs hullámokat, és azt, hogy a standard modellen túli fizika hogyan hagyna ujjlenyomatokat a LISA segítségével.

Tavaly Garcia Garcia és kollégái megjelent munkája a buborékfalak gravitációs hullámain – energetikai akadályok a tér zsebei között, amelyek az univerzum lehűlésekor különböző állapotokba kerültek. Ez a lehűlés az univerzum tágulásával történt. Ahogy a víz felforr és gőzzé alakul, az univerzum fázisátalakulásokon ment keresztül. A szabványos modellben a fázisátalakulás, amely során egyetlen „elektromos gyenge” erő külön elektromágneses és gyenge erőkre bomlik, viszonylag sima volt. Az elmélet számos kiterjesztése azonban olyan erőszakos eseményeket jósol, amelyek a kozmikus levest habossá és zavarttá tették – mondta Dunsky, aki olyan topológiai hibákat is tanulmányoz, mint a buborékfalak.

Az univerzumunkat átható kvantumtereknek minimális energiájú vagy alapállapotuk van. És ahogy az univerzum lehűlt, új, alacsonyabb energiájú alapállapotok alakultak ki, de egy adott mező nem mindig landolt azonnal új alapállapotában. Néhányan a helyi energiaminimumok csapdájába estek – hamis alapállapotok, amelyek csak stabilnak tűnnek. Néha azonban az univerzum egy kis darabja kvantum-alagútba torkollik a valódi állapotba, és magokat hozva egy gyorsan táguló valódi vákuumbuborékot, amelynek energiája alacsonyabb, mint a külső univerzum.

„Ezek a buborékok nagyon energikusak; nagyon közel mozognak a fénysebességhez a belső és külső nyomáskülönbség miatt” – mondta Dunsky. "Tehát amikor összeütköznek, akkor ez a két nagyon relativisztikus objektum közötti heves ütközés, némileg hasonló ahhoz, ahogy a fekete lyukak erős gravitációs hullámokat bocsátanak ki közvetlenül az ütközés előtt."

Húrok és falak

Még inkább feltételezhető, hogy a korai univerzum fázisátalakulásai kozmikus húroknak és tartományfalaknak nevezett struktúrákat is létrehozhattak – hatalmas, sűrű energiájú szálakat, illetve lapokat.

Ezek a struktúrák akkor keletkeznek, amikor egy kvantummező alapállapota oly módon változik, hogy egynél több új alapállapot keletkezik, amelyek mindegyike egyformán érvényes. Ez nagy energiájú hibákat eredményezhet az univerzum zsebeinek határai mentén, amelyek véletlenül különböző, de ugyanolyan kedvező alapállapotba kerültek.

A folyamat egy kicsit hasonlít ahhoz, ahogy bizonyos kőzetek természetes mágnesességet fejlesztenek ki lehűlésük során – mondta Dunsky, aki igen tanulmányozta a megfigyelhető ujjlenyomatokat a folyamatról. Magas hőmérsékleten az atomok véletlenszerű orientációjúak. De hűvös hőmérsékleten energetikailag kedvezővé válik számukra a mágneses igazodás - az alapállapot megváltozik. Valamilyen külső mágneses mező nélkül, amely az atomokat orientálná, szabadon sorba rendezhetik magukat. Minden „választás” egyformán érvényes, és az ásvány különböző tartományai véletlenül különböző döntéseket hoznak. Az összes atom által generált mágneses mező drámaian meghajlik a tartományok közötti határokon.

Hasonlóképpen, az univerzum különböző régióiban a kvantumtereknek „gyorsan meg kell változniuk” ezeknek a tartományoknak a határán, ami nagy energiasűrűséget eredményez ezeken a határokon, ami „tartományfal vagy kozmikus húr jelenlétét jelzi”.

Ezek a kozmikus húrok és tartományfalak, ha léteznek, a tér tágulásával gyakorlatilag az egész univerzumra kiterjedtek volna. Ezek az objektumok gravitációs hullámokat keltenek, miközben görbék terjednek rajtuk, és ahogy a hurkok oszcillálnak és csúcsokat képeznek. De ezeknek a hullámoknak az energiaskáláit többnyire az univerzum első pillanataiban keletkezett objektumokként határozták meg. És a LISA képes észlelni őket, ha léteznek.

A teremtés visszhangjai

A nagyon korai univerzumból hozzánk érkező gravitációs hullámok nem szépen csomagolt csipogással érkeznek, mint a fekete lyukak ütközésének jelei. Mivel olyan korán történtek, az ilyen jeleket azóta az egész térben szétterítették. Minden irányból, a tér minden pontjáról, egyszerre visszhangoznak – háttérben gravitációs zümmögés.

– Bekapcsolja az érzékelőt, és mindig ott van – mondta Garcia Garcia.

Az ebben a háttérben lévő minták valószínűleg „csak zajnak tűnnek az átlagember számára” – mondta Sundrum. – De titokban van egy rejtett kód.

Az egyik fontos támpont a háttérjel spektruma – az erőssége különböző frekvenciákon. Ha a gravitációs hullámot hangnak tekintjük, akkor a spektruma a hangmagasság és a hangerő görbéje lenne. A valóban véletlenszerű fehér zajnak lapos spektruma lenne, mondta Auclair. De a fázisátalakulások során felszabaduló vagy kozmikus húrokból vagy tartományfalakból kibocsátott gravitációs hullámok bizonyos frekvenciákon lennének a leghangosabbak. Auclair azon dolgozott, hogy kiszámítsa a kozmikus húrok spektrális szignatúráját, amelyek jellegzetes hullámhosszú gravitációs hullámokat dobnak ki, amikor töréseik és hurkjaik fejlődnek. És Caprini tanulmányok hogy az erőszakos fázisátalakulások milyen nyomot hagynának a gravitációs hullámháttéren.

Egy másik megközelítés, amely Sundrum és kollégái körvonalazták 2018-ban és a nemrég kidolgozott, az lenne, ha megpróbálnánk feltérképezni a háttér általános intenzitását az égbolton. Ez lehetővé tenné az anizotrópiák vagy foltok keresését, amelyek csak egy kicsit hangosabbak vagy halkabbak az átlagosnál.

„Az a probléma – mondta Caprini –, hogy az ilyen jeleknek gyakorlatilag ugyanazok a jellemzői, mint a műszerzajnak. Tehát az egész kérdés az, hogyan tudjuk megkülönböztetni, ha egyszer észlelünk valamit.

A LISA jobban hasonlít egy mikrofonra, mint egy távcsőre. Ahelyett, hogy egy adott irányba nézne, egyszerre hallgatja az egész eget. Hallani fogja az ősi gravitációs hullámokat, ha jelen vannak. De hallani fogja az egyesülő fekete lyukak, neutroncsillagok és a galaxisunkban található fehér törpecsillag-párok csipogását és üvöltését is. Annak érdekében, hogy a LISA felismerje az ősi gravitációs hullámok hátterét, minden más jelet gondosan azonosítani és eltávolítani kell. A korai univerzum valódi jelét kiszűrni olyan lesz, mint egy tavaszi szellő hangját kiszűrni egy építkezésen.

Sundrum azonban a reménykedés mellett dönt. „Nem vagyunk őrültek, hogy kutatásokat végzünk” – mondta. „Nehéz lesz a kísérletezőknek. Nehéz lesz a nyilvánosságnak fizetni a különféle tennivalókért. A teoretikusoknak pedig nehéz lesz kiszámolniuk, hogyan léphetnek túl minden bizonytalanságon, hibán, hátteren és így tovább.”

De mégis – tette hozzá Sundrum – „úgy tűnik, lehetséges. Egy kis szerencsével."