תקוות של תגליות המפץ הגדול רוכבות על חללית עתידית | מגזין קוונטה

בכנס ביפן לפני כמה שנים, דיוויד דנסקי השתתפו בהרצאה על גלי כבידה, אדוות במרקם המרחב-זמן שנוצרו כאשר עצמים מסיביים כמו כוכבים וחורים שחורים מאיצים.

דאנסקי היה אז סטודנט לתואר שני בפיזיקה של חלקיקים, ותחומי העניין שלו היו לכאורה במקום אחר. פיזיקאים של חלקיקים מחפשים את האמת הבסיסית יותר העומדת בבסיס הכללים הפיזיקליים שאנו מכירים. הם השתמשו זה מכבר במתנגדי חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה כדי לבדוק את הרעיונות שלהם. על ידי ריסוק חלקיקים יחד באנרגיות בלתי נתפסות, מדענים אלה יכולים לגלות את אבני הבניין של אבני הבניין - תופעות האנרגיה הגבוהה המתרחשות בקנה מידה קצר. התופעות הללו גם מספרות לנו על הרגעים המוקדמים ביותר של היקום כשהיה זעיר, צפוף וחם להפליא.

אבל דאנסקי למד בהרצאה שמצפי גלי כבידה עתידיים כמו אנטנת החלל המוצעת של לייזר אינטרפרומטר (LISA) יכולים לשמש כדי לחקור פיזיקה באנרגיה גבוהה. LISA תהיה מסוגלת לזהות עצמים היפותטיים הנקראים מיתרים קוסמיים, גדילים עצומים של אנרגיה מרוכזת שעלולים היו להתעורר במהלך לידתו של היקום. "התמכרתי לניסיון להבין אותות גלי כבידה מהיקום המוקדם", אמר דנסקי, שהוא כיום קוסמולוגי ופיזיקאי חלקיקים באוניברסיטת ניו יורק, "ואיך הם יכלו לספר לנו על פיזיקה מאוד מאוד גבוהה באנרגיה שעלולה להיות רחוקה. מעבר למה שאנחנו יכולים לזהות כעת עם מתנגש."

פנייתו לגלי כבידה כדרך קדימה לפיזיקת החלקיקים ממחישה התרחבות העניין בניסוי LISA העתידי ואולי גם שינוי רחב יותר. 2012 שנים חלפו מאז התגלית הגדולה האחרונה בהתנגשות חלקיקים. גילוי הבוזון של היגס במאיץ ההדרונים הגדול (LHC) בשנת XNUMX השלים את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, התיאוריה השלטת של החלקיקים והכוחות היסודיים הידועים. ולמרות שתיאורטיקנים חשבו מאז על גן חיות של תיאוריות אפשריות המרחיבות את המודל הסטנדרטי, לא ברור שאנחנו יכולים לבנות מתנגשים שמסוגלים לבדוק את הרעיונות האלה.

"אנשים מדברים על בניית מתנגשים ב-50 השנים הבאות שהם פי 10 יותר חזקים מה-LHC מבחינת אנרגיה", אמר. ראמאן סונדרום, פיזיקאי חלקיקים תיאורטי באוניברסיטת מרילנד. עם זאת, בדיקת תיאוריות מאוחדות גדולות, אשר עוקבות אחר שלושת הכוחות של המודל הסטנדרטי לכוח בסיס יחיד הפועל במרחקים קצרים יותר, "נראה כי דרוש מתנגש שיש לו פי 10 מיליארד מהאנרגיה של ה-LHC", אמר.

מה שאנחנו לא יכולים לייצר בתא מתנגש, אולי נוכל לצפות בטבע. ספציפית, התשובות עשויות להיות טמונות בהדים הכבידתיים של תהליכים שהתפתחו ברגעים הראשונים של הבריאה, כשהיקום היה כל כך אנרגטי עד שהפיזיקה שמעבר למודל הסטנדרטי הייתה שולטת.

זו תקוותם של פיסיקאי חלקיקים כמו דנסקי וסונדרום, שמחפשים כעת אל LISA כדי לבדוק את התיאוריות שלהם. תפיסת המשימה פותחה לראשונה בתחילת שנות ה-1980 והוצעה רשמית לסוכנות החלל האירופית (ESA) בעשור הבא. הפרויקט נמשך זמן מה בשיתוף פעולה עם נאס"א, אבל האמריקאים נכנעו ב-2011 בגלל חששות תקציביים, ואילצו את אירופה ללכת לבד. אולם בינואר הקרוב, LISA קיבלה סוף סוף את האישור מ-ESA, אשר מוצאת כעת שותפים בתעשייה כדי להתחיל בבנייה. ההכרזה מגיעה לאחר ההצלחה המהדהדת ב-2015 ו-2016 של משימת פיילוט, LISA Pathfinder, שבדקה את טכנולוגיות המפתח העתידיות של מצפה הכוכבים.

LISA אמורה כעת לטוס בשנות ה-2030. במשך ארבע שנים, מערך שלושת הלוויינים שלו יתגלגל בחלל במשולש שווה צלעות לרוחב של כמיליון קילומטרים, יקפיץ לייזרים מקוביות הזהב שנשמרו בנפילה חופשית מושלמת בתוך כל כלי שיט כדי להרגיש אדוות במרחב-זמן.

"לראשונה, אולי באמת נקבל משהו ישירות מאותה תקופה מוקדמת מאוד של היקום", אמר איזבל גרסיה גרסיה, פיזיקאי חלקיקים וקוסמולוג באוניברסיטת וושינגטון. אם LISA באמת תוכל לקלוט גלי כבידה ראשוניים, היא הוסיפה, זו תהיה ההצצה הראשונה שלנו ברגעים הראשונים של הקוסמוס. "מנקודת המבט של פיזיקת החלקיקים, זה כמובן מרגש להפליא."

מזל ליסה

אם אכן LISA תצליח לזהות גלי כבידה ראשוניים מתישהו בעשור הבא, זה יהיה בגלל שבץ מזל קוסמי יוצא דופן.

אף טלסקופ לא יגלה את הרגעים הראשונים של הבריאה. טלסקופים רואים אל עבר היקום על ידי זיהוי אור שנסע מרחוק. אבל 380,000 השנים הראשונות שלאחר המפץ הגדול מסתתרות מאחורי מעין מסך קוסמי. אז, היקום היה מלא בפלזמה מיוננת שפיזרה פוטונים, והפכה אותו לאטום לאור.

בניגוד לאור, גלי כבידה יכלו לפלס בחופשיות דרך היקום המוקדם. מצפה כוכבים קרקעיים קיימים כמו LIGO ובתולה כנראה אינם רגישים לגלים קדמוניים אלה. אבל ליסה אולי תוכל לשמוע מה קרה על הבמה לפני שהמסך הקוסמי עלה.

"זה כמו לשמוע משהו בערפל," אמר סונדרום.

כמו מצפה כוכבים מבוססי גלי כבידה, LISA תזהה אדוות במרחב-זמן על ידי שימוש בלייזרים כדי למדוד במדויק את המרחק לאורך "זרועותיה" - במקרה זה, הקווים בחלל הריק בין שלוש החלליות בקבוצת הכוכבים המשולשת שלה. כאשר גל כבידה חולף, הוא נמתח ומתכווץ במרחב-זמן. זה יוצר הבדל קל באורכי הזרועות של LISA, שהמכשיר יכול לזהות על ידי מעקב אחר חוסר היישור של הפסגות והשפלים של קרני הלייזר שלו. בהרחקה מהסביבה הרועשת של כדור הארץ, LISA תהיה הרבה יותר רגישה מאינטרפרומטרים קיימים כמו LIGO, ששימש לזיהוי התנגשויות של חורים שחורים וכוכבי נויטרונים. הוא גם יהיה הרבה יותר גדול; כל אחת מזרועותיה תהיה ארוכה כמעט פי 400 מרדיוס כדור הארץ.

למרות זאת, השינויים במרחק של LISA הם קטנים ביותר - בערך פי 50 קטן יותר מאטום. "זה רעיון די מטורף, אם אתה חושב על זה," אמר נורה לוטגנדורף, אסטרופיזיקאי ב-ESA ומדען פרויקט LISA.

הגודל והרגישות של LISA יאפשרו לה לצפות בגלי כבידה ארוכים בהרבה מאלה הניתנים לצפייה על ידי אינטרפרומטרים מבוססי קרקע. LIGO יכולה לחוש גלי כבידה עם אורכי גל בין כ-30 ל-30,000 קילומטרים, אך LISA יכולה לקלוט גלים באורך של כמה מאות אלפי קילומטרים לכמה מיליארדים. זה יאפשר ל-LISA להקשיב לאירועים אסטרופיזיים שמצפי כוכבים קרקעיים לא יכולים "לשמוע", כמו מיזוג של חורים שחורים סופר-מאסיביים (בניגוד לחורים שחורים בגודל כוכב). ורצועת אורך הגל של LISA גם היא במקרה בדיוק בגודל שפיזיקאים מצפים לו מגלי כבידה שנוצרו ברגעים הראשונים שלאחר המפץ הגדול.

פיזיקה באנרגיה גבוהה ביקום המוקדם יצרה אדוות כבידה, וכשהיקום התרחב והחלל נמתח, הגלים הללו התפוצצו לממדים עצומים. LISA פשוט במצב מושלם לתפוס גלים שנוצרו ב-10 הראשונים^-17 כדי 10^-10 שניות לאחר המפץ הגדול - כמעט בתחילת הזמן. הקצה הקצר של הטווח הזה, 10^-17 שניות, היא תקופה כל כך קצרה שהיא תתאים בערך כמה פעמים לשניה כששניות מתאימות לעידן היקום.

"יש את השלווה הזאת," אמר קיארה קפריני, קוסמולוגית תיאורטית באוניברסיטת ז'נבה וב-CERN. יש התאמה בין "פס התדרים לזיהוי של LISA לבין התקופה הספציפית הזו באבולוציה של היקום שמסמנת את גבול הידע שלנו בפיזיקה של חלקיקים."

מעבר למודל הסטנדרטי

עד לגבול זה, המודל הסטנדרטי עושה עבודה מצוינת בהסבר כיצד להקת 17 החלקיקים היסודיים שלו מתקשרת עם שלושה כוחות: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש. אבל למרות הצלחותיו העצומות, איש אינו חושב שהחלקיקים והכוחות הללו הם הכול והסוף של הקיום.

לתיאוריה יש פגמים. למשל, ה מסה של בוזון היגס - המרכיב של המודל הסטנדרטי שקובע את המסות של חלקיקים אחרים - הוא באופן מתסכל "לא טבעי." זה נראה שרירותי וקטן באופן תמוה בהשוואה לסולמות האנרגיה הגדולים בהרבה של היקום. יתר על כן, המודל הסטנדרטי אינו מספק הסבר לחומר אפל, ולא לחומר האפל אנרגיה אפלה מסתורית שמניע את ההתרחבות המואצת של החלל. בעיה נוספת היא שאנטי-חומר וחומר מתנהגים בדיוק אותו הדבר תחת שלושת הכוחות של המודל הסטנדרטי - וזה כמובן לא הסיפור המלא, שכן החומר שולט ביקום. ואז יש כוח המשיכה. המודל הסטנדרטי מתעלם לחלוטין מהכוח הבסיסי הרביעי, אותו יש לתאר באמצעות תיאוריה מותאמת אישית משלו, תורת היחסות הכללית.

"אז הרבה תיאורטיקנים כמוני ניסו לסחוט קצת את המודל הסטנדרטי ולנסות לעשות לו הרחבות", אמר פייר אוקלייר, קוסמולוגים תיאורטי באוניברסיטה הקתולית של לובן בבלגיה. אבל ללא ראיות ניסיוניות שאפשר לבדוק אותן, התיאוריות המורחבות הללו נשארות, ובכן, תיאורטיות.

אוקלייר הוא תיאורטיקן. "אבל בכל זאת, אני מנסה להיות מקושר לניסויים ככל שאני יכול", אמר. זו אחת הסיבות שהוא נמשך לליסה. "הרחבות אלה מובילות בדרך כלל לאירועים קיצוניים שונים ביקום המוקדם", אמר.

גרסיה גרסיה אמרה גם שההבטחה של LISA לראיות תצפיתיות לפיזיקה עתירת אנרגיה הובילה אותה לחשוב מחדש על הקריירה שלה - גלי כבידה יכולים "לחקור את היקום המוקדם בצורה שאף ניסוי אחר לא יכול", אמרה. לפני כמה שנים, היא החלה לחקור גלי כבידה וכיצד פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי תשאיר טביעות אצבע שניתן לזהות על ידי LISA.

בשנה שעברה, גרסיה גרסיה ועמיתיה עבודה שפורסמה על חתימת גל הכבידה של קירות בועות - מחסומים אנרגטיים בין כיסי חלל שנלכדו במצבים שונים כשהיקום התקרר. ההתקררות הזו התרחשה כשהיקום התפשט. בדיוק כשהמים רותחים והופכים לקיטור, היקום עבר מעברי פאזה. במודל הסטנדרטי, מעבר הפאזה שבמהלכו התפצל כוח "חלש חשמלי" בודד לכוחות אלקטרומגנטיים וחלשים נפרדים היה חלק יחסית. אבל הרחבות רבות של התיאוריה מנבאות אירועים אלימים שהותירו את המרק הקוסמי קצף ומופרע, אמר דנסקי, שחוקר גם פגמים טופולוגיים כמו קירות בועות.

לשדות קוונטיים שחודרים ליקום שלנו יש מצבי מינימום אנרגיה, או מצבי קרקע. וכשהיקום התקרר, התפתחו מצבי קרקע חדשים, בעלי אנרגיה נמוכה יותר, אך שדה נתון לא תמיד נחת מיד במצב הקרקע החדש שלו. חלקם נלכדו במינימום אנרגיה מקומי - מצבי קרקע כוזבים שנראים רק יציבים. עם זאת, לפעמים, חלק קטן אחד מהיקום היה עובר מנהרה קוונטית למצב האמיתי, ומייצר בועה מתרחבת במהירות של ואקום אמיתי עם אנרגיה נמוכה יותר מהיקום שבחוץ.

"הבועות האלה מאוד אנרגטיות; הם מתקרבים מאוד למהירות האור בגלל הבדל הלחץ הזה בין הפנים לחוץ שלהם", אמר דנסקי. "אז כשהם מתנגשים, אתה מקבל את ההתנגשות האלימה הזו בין שני העצמים המאוד רלטיביסטיים האלה, דומה במקצת לאופן שבו חורים שחורים פולטים גלי כבידה חזקים ממש לפני ההתנגשות."

מיתרים וקירות

באופן ספקולטיבי יותר, מעברי פאזה ביקום המוקדם יכלו ליצור גם מבנים הנקראים מיתרים קוסמיים וקירות תחום - גדילים ויריעות עצומים, בהתאמה, של אנרגיה צפופה.

מבנים אלו מתעוררים כאשר מצב הקרקע של שדה קוונטי משתנה בצורה כזו שיש יותר ממצב קרקע חדש אחד, כל אחד תקף באותה מידה. זה יכול לגרום לליקויים באנרגיה גבוהה לאורך הגבולות בין כיסי היקום שנקלעו במקרה למצבי קרקע שונים, אך נוחים באותה מידה.

התהליך דומה קצת לאופן שבו סלעים מסוימים מפתחים מגנטיות טבעית כשהם מתקררים, אמר דנסקי חקר את טביעות האצבע הניתנות לצפייה של התהליך. בטמפרטורות גבוהות, האטומים מכוונים באופן אקראי. אבל בטמפרטורות קרירות, זה הופך נוח מבחינה אנרגטית עבורם להתיישר מגנטית - מצב הקרקע משתנה. ללא שדה מגנטי חיצוני כלשהו שיכוון את האטומים, הם חופשיים ליישר את עצמם בכל דרך. כל ה"בחירות" תקפות באותה מידה, ותחומים שונים של המינרל יעשו, במקרה, בחירות שונות. השדה המגנטי שנוצר על ידי כל האטומים מתכופף בצורה דרמטית בגבולות בין תחומים.

באופן דומה, השדות הקוונטיים באזורים שונים של היקום "חייבים להשתנות במהירות בגבול" של תחומים אלה, הוא אמר, וכתוצאה מכך צפיפות אנרגיה גדולה בגבולות אלה "שמסמנים נוכחות של קיר תחום או מיתר קוסמי".

המיתרים הקוסמיים וקירות התחום הללו, אם הם קיימים, היו נמתחים על פני כמעט כל היקום עם התרחבות החלל. עצמים אלה מייצרים גלי כבידה כאשר קיפולים מתפשטים לאורכם וכאשר לולאות מתנודדות ויוצרות חודים. אבל מאזני האנרגיה של הגלים הללו נקבעו בעיקר כעצמים שנוצרו ברגעים הראשונים של היקום. וליסה תוכל לזהות אותם, אם הם קיימים.

הדים של בריאה

גלי הכבידה המגיעים אלינו מהיקום המוקדם מאוד לא יגיעו בציוצים ארוזים בקפידה, כמו האותות של התנגשויות חורים שחורים. מכיוון שהם קרו כל כך מוקדם בזמן, אותות כאלה נמתחו מאז על פני כל החלל. הם יהדהדו מכל כיוון, מכל נקודה בחלל, בבת אחת - זמזום כבידה ברקע.

"אתה מדליק את הגלאי שלך, והוא תמיד שם," אמר גרסיה גרסיה.

דפוסים ברקע זה כנראה "רק ייראו כמו רעש לאדם הממוצע", ​​אמר סונדרום. "אבל בסתר, יש קוד נסתר."

רמז חשוב אחד יהיה ספקטרום אות הרקע - עוצמתו בתדרים שונים. אם נחשוב על אות גל כבידה כעל צליל, הספקטרום שלו יהיה עלילה של גובה הצליל מול עוצמת הקול. לרעש לבן אקראי באמת יהיה ספקטרום שטוח, אמר אוקלייר. אבל גלי כבידה המשתחררים במהלך מעברי פאזה או נוצקים ממיתרים קוסמיים או מקירות תחום יהיו הכי חזקים בתדרים ספציפיים. אוקלייר עבדה על חישוב החתימות הספקטרליות של מיתרים קוסמיים, אשר זורקים גלי כבידה באורכי גל אופייניים כאשר הפיתולים והלולאות שלהם מתפתחים. וקפריני מחקרים כיצד מעברי פאזה אלימים ישאירו חותם משלהם על רקע גלי הכבידה.

גישה נוספת, אשר סונדרום ועמיתיו שתואר ב-2018 ו פירט לאחרונה, יהיה לנסות למפות את העוצמה הכוללת של הרקע על פני השמים. זה יאפשר לחפש אניזוטרופיות, או טלאים שהם רק קצת יותר רועשים או שקטים מהממוצע.

"הבעיה", אמר קפריני, "היא שלסוג זה של אותות יש כמעט את אותם מאפיינים של רעש המכשיר. אז כל השאלה היא איך אפשר להבחין בזה ברגע שאנחנו מזהים משהו".

LISA דומה יותר למיקרופון מאשר לטלסקופ. במקום להציץ לכיוון מסוים, הוא יקשיב לכל השמים בבת אחת. הוא ישמע גלי כבידה ראשוניים אם הם נוכחים. אבל הוא גם ישמע את הציוצים והיללות של חורים שחורים מתמזגים, כוכבי נויטרונים והזוגות הרבים של כוכבי ננס לבנים בתוך הגלקסיה שלנו. על מנת ש-LISA תזהה רקע של גלי כבידה ראשוניים, יהיה צורך לזהות ולהסיר בקפידה את כל האותות האחרים. סינון האות האמיתי מהיקום המוקדם יהיה כמו לבחור את קול רוח האביב באתר בנייה.

אבל סונדרום בוחר להיות מלא תקווה. "אנחנו לא משוגעים לעשות את המחקר", אמר. "זה יהיה קשה לנסיינים. לציבור יהיה קשה לשלם עבור הדברים השונים שצריך לעשות. ויהיה קשה לתיאורטיקנים לחשב את דרכם מעבר לכל אי הוודאות והשגיאות והרקע וכן הלאה."

אבל עדיין, הוסיף סונדרום, "נראה שזה אפשרי. עם קצת מזל."