Speranțele descoperirilor Big Bang călătoresc pe o viitoare navă spațială | Revista Quanta

La o conferință din Japonia în urmă cu câțiva ani, David Dunsky a participat la o discuție despre undele gravitaționale, valuri în țesătura spațiu-timp create atunci când obiecte masive precum stelele și găurile negre accelerează.

Dunsky era un student absolvent în fizica particulelor la acea vreme, iar interesele lui se pare că erau în altă parte. Fizicienii particulelor caută adevărul mai fundamental care stă la baza regulilor fizice cu care suntem familiarizați. Ei au folosit mult timp ciocnitori de particule de înaltă energie pentru a-și testa ideile. Prin zdrobirea particulelor la energii insondabile, acești oameni de știință pot descoperi elementele de bază ale blocurilor de construcție - fenomenele de înaltă energie care se întâmplă la scară de distanță scurtă. Aceste fenomene ne vorbesc, de asemenea, despre primele momente ale universului, când era mic, dens și incredibil de cald.

Dar Dunsky a aflat la discuție că viitoarele observatoare ale undelor gravitaționale, cum ar fi antena spațială cu interferometru laser (LISA) propusă, ar putea fi folosite pentru a sonda fizica energiei înalte. LISA ar fi capabil să detecteze obiecte ipotetice numite șiruri cosmice, fire vaste de energie concentrată care ar fi putut apărea în timpul nașterii universului. „M-am atras să încerc să înțeleg semnalele undelor gravitaționale din universul timpuriu”, a spus Dunsky, care acum este cosmolog și fizician al particulelor la Universitatea din New York, „și cum ne-ar putea spune despre fizica energiei foarte, foarte înalte, potențial departe. dincolo de ceea ce putem detecta în prezent cu un ciocnitor.”

Întoarcerea lui către undele gravitaționale ca o cale de urmat pentru fizica particulelor exemplifica un interes din ce în ce mai mare pentru viitorul experiment LISA și, poate, o schimbare mai largă. Au trecut doisprezece ani de la ultima descoperire majoră la un ciocnitor de particule. Descoperirea bosonului Higgs la Large Hadron Collider (LHC) în 2012 a finalizat Modelul standard al fizicii particulelor, teoria dominantă a particulelor și forțelor elementare cunoscute. Și în timp ce teoreticienii au gândit de atunci o grădină zoologică cu posibile teorii care să extindă Modelul Standard, nu este clar că putem construi colisionare capabile să testeze aceste idei.

„Oamenii vorbesc despre construirea de colisionare în următorii 50 de ani care sunt de 10 ori mai puternice decât LHC din punct de vedere energetic”, a spus. Raman Sundrum, un fizician teoretic al particulelor la Universitatea din Maryland. Cu toate acestea, testarea teoriilor mari unificate, care urmăresc cele trei forțe ale modelului standard la o singură forță subiacentă care operează la distanțe mai scurte, „ar părea să ia un colisionator care are de 10 miliarde de ori energia LHC”, a spus el.

Ceea ce nu putem produce într-un ciocnitor, s-ar putea să putem observa în natură. Mai exact, răspunsurile ar putea sta în ecourile gravitaționale ale proceselor care s-au desfășurat în primele momente ale creației, când universul era atât de energic încât fizica dincolo de Modelul Standard ar fi domnit.

Aceasta este speranța fizicienilor de particule precum Dunsky și Sundrum, care caută acum la LISA pentru a-și testa teoriile. Conceptul de misiune a fost dezvoltat pentru prima dată la începutul anilor 1980 și propus oficial Agenției Spațiale Europene (ESA) în deceniul următor. Proiectul a fost urmărit în colaborare cu NASA pentru o perioadă, dar americanii s-au renunțat în 2011 din cauza preocupărilor bugetare, forțând Europa să meargă singură. Cu toate acestea, în ianuarie, LISA a primit în sfârșit aprobarea de la ESA, care găsește acum parteneri din industrie pentru a începe construcția. Anunțul vine după succesul răsunător în 2015 și 2016 al unei misiuni pilot, LISA Pathfinder, care a testat tehnologiile cheie ale viitorului observator.

LISA este acum programată să zboare în anii 2030. Timp de patru ani, matricea sa de trei sateliți se va prăbuși prin spațiu într-un triunghi echilateral de câteva milioane de mile diametru, aruncând laserele de pe cuburile de aur ținute în cădere liberă perfectă în fiecare navă pentru a simți valuri în spațiu-timp.

„Pentru prima dată, am putea obține ceva direct din acea epocă foarte timpurie” a universului, a spus Isabel Garcia Garcia, un fizician al particulelor și cosmolog la Universitatea din Washington. Dacă LISA într-adevăr poate capta undele gravitaționale primordiale, a adăugat ea, aceasta va fi prima noastră privire asupra primelor momente ale cosmosului. „Din punctul de vedere al fizicii particulelor, este evident incredibil de interesant.”

Norocoasă LISA

Dacă într-adevăr LISA reușește să detecteze undele gravitaționale primordiale cândva deceniul următor, aceasta se va datora unei lovituri de noroc cosmic extraordinar.

Niciun telescop nu va dezvălui vreodată primele momente ale creației. Telescoapele văd în trecutul universului detectând lumina care a călătorit de departe. Dar primii 380,000 de ani după Big Bang sunt ascunși în spatele unui fel de perdea cosmică. Pe atunci, universul era plin cu plasmă ionizată care împrăștia fotonii, făcându-l opac la lumină.

Spre deosebire de lumină, undele gravitaționale ar putea ondula liber prin universul timpuriu. Observatoarele terestre existente, cum ar fi LIGO și Virgo, probabil nu sunt sensibile la aceste unde primordiale. Dar LISA ar putea să audă ce s-a întâmplat pe scenă înainte ca cortina cosmică să se ridice.

„Este ca și cum ai auzi ceva în ceață”, a spus Sundrum.

La fel ca observatoarele de unde gravitaționale de la sol, LISA va detecta ondulații în spațiu-timp folosind lasere pentru a măsura cu precizie distanța de-a lungul „brațelor” sale - în acest caz, liniile din spațiul gol dintre cele trei nave spațiale din constelația sa triunghiulară. Când trece o undă gravitațională, se întinde și se contractă spațiu-timp. Acest lucru creează o ușoară diferență în lungimile brațelor LISA, pe care instrumentul o poate detecta prin urmărirea alinierii greșite a vârfurilor și jgheaburilor fasciculelor sale laser. Scos din mediul zgomotos al Pământului, LISA va fi mult mai sensibil decât interferometrele existente precum LIGO, care a fost folosit pentru a detecta coliziunile găurii negre și a stelelor neutroni. Va fi, de asemenea, mult mai mare; fiecare dintre brațele sale va fi de aproape 400 de ori mai lung decât raza Pământului.

Chiar și așa, modificările distanței pe care le va simți LISA sunt extrem de mici - de aproximativ 50 de ori mai mici decât un atom. „Este un concept destul de nebun, dacă te gândești la el”, a spus Nora Lützgendorf, un astrofizician la ESA și un om de știință al proiectului LISA.

Dimensiunea și sensibilitatea lui LISA îi vor permite să observe unde gravitaționale care sunt mult mai lungi decât cele observabile de interferometrele de la sol. LIGO poate percepe unde gravitaționale cu lungimi de undă între aproximativ 30 și 30,000 de kilometri, dar LISA poate capta unde cu lungime de la câteva sute de mii de kilometri la câteva miliarde. Acest lucru va permite LISA să asculte evenimente astrofizice pe care observatoarele de la sol nu le pot „auzi”, cum ar fi fuziunile găurilor negre supermasive (spre deosebire de găurile negre de mărimea unei stele). Și banda de lungime de undă a lui LISA se întâmplă să fie, de asemenea, exact de dimensiunea pe care fizicienii o așteaptă de la undele gravitaționale generate în primele momente după Big Bang.

Fizica de înaltă energie din universul timpuriu a creat ondulații gravitaționale și, pe măsură ce universul s-a extins și spațiul s-a întins, aceste valuri au ajuns la dimensiuni enorme. LISA se întâmplă să fie perfect pregătită să prindă valurile create în primele 10^-17 la 10^-10 secunde după Big Bang — practic la începutul timpului. Capătul scurt al acelui interval, 10^-17 secunde, este o perioadă atât de scurtă încât s-ar potrivi de aproximativ atâtea ori într-o secundă câte secunde se potrivesc în epoca universului.

„Există această serendipitate”, a spus Chiara Caprini, un cosmolog teoretic la Universitatea din Geneva și CERN. Există o potrivire între „banda de frecvență de detectare a LISA și această epocă specială din evoluția universului care marchează granița cunoștințelor noastre despre fizica particulelor”.

Dincolo de modelul standard

Până la această frontieră, Modelul Standard face o treabă excelentă explicând modul în care stolul său de 17 particule elementare interacționează cu trei forțe: forța electromagnetică, forța nucleară puternică și forța nucleară slabă. Dar, în ciuda succeselor sale enorme, nimeni nu crede că aceste particule și forțe sunt totul și sfârșitul existenței.

Teoria are defectele ei. De exemplu, cel masa bosonului Higgs — componenta modelului standard care determină masele altor particule — este în mod frustrant „nefiresc.” Pare arbitrară și în mod surprinzător de mic în comparație cu scalele de energie mult mai mari ale universului. În plus, modelul standard nu oferă nicio explicație pentru materia întunecată și nici pentru energie întunecată misterioasă care determină expansiunea accelerată a spațiului. O altă problemă este că antimateria și materia se comportă exact la fel sub cele trei forțe ale Modelului Standard - ceea ce, evident, nu este întreaga poveste, deoarece materia domină universul. Și apoi există gravitația. Modelul standard ignoră complet a patra forță fundamentală, care trebuie descrisă folosind propria sa teorie personalizată, relativitatea generală.

„Așadar, mulți teoreticieni ca mine au încercat să strângă puțin modelul standard și să încerce să-l extindă”, a spus Pierre Auclair, un cosmolog teoretic la Universitatea Catolică din Louvain din Belgia. Dar fără dovezi experimentale cu care să le testăm, aceste teorii extinse rămân, ei bine, teoretice.

Auclair este un teoretician. „Dar totuși, încerc să fiu legat de experimente cât de mult pot”, a spus el. Acesta este unul dintre motivele pentru care a fost atras de LISA. „Aceste extensii conduc de obicei la diferite evenimente extreme în universul timpuriu”, a spus el.

Garcia Garcia a spus, de asemenea, că promisiunea LISA de dovezi observaționale pentru fizica energiilor înalte a determinat-o să-și regândească cariera – undele gravitaționale ar putea „sonda universul timpuriu într-un mod în care niciun alt experiment nu poate”, a spus ea. Cu câțiva ani în urmă, ea a început să studieze undele gravitaționale și modul în care fizica dincolo de modelul standard ar lăsa amprentele digitale detectabile de LISA.

Anul trecut, Garcia Garcia și colegii ei lucrare publicată pe semnătura undelor gravitaționale a pereților cu bule – bariere energetice între buzunarele de spațiu care au rămas prinse în diferite stări pe măsură ce universul se răcea. Această răcire a avut loc pe măsură ce universul s-a extins. La fel cum apa fierbe și se transformă în abur, universul a trecut prin tranziții de fază. În modelul standard, tranziția de fază în timpul căreia o singură forță „electroslabă” s-a împărțit în forțe electromagnetice și slabe separate a fost relativ lină. Dar multe extensii ale teoriei prezic evenimente violente care au lăsat supa cosmică spumoasă și tulburată, a spus Dunsky, care studiază și defectele topologice precum pereții cu bule.

Câmpurile cuantice care pătrund în universul nostru au stări de energie minimă sau stări fundamentale. Și pe măsură ce universul s-a răcit, s-au dezvoltat noi stări fundamentale cu energie mai scăzută, dar un anumit câmp nu a aterizat întotdeauna imediat în noua sa stare fundamentală. Unii au rămas prinși în minime energetice locale - stări fundamentale false care par doar stabile. Uneori, totuși, o mică porțiune din univers s-a transformat în tunel cuantic în starea adevărată, nucleând o bulă de vid adevărat în expansiune rapidă, cu o energie mai mică decât universul din exterior.

„Aceste bule sunt foarte energice; se mișcă foarte aproape de viteza luminii datorită acestei diferențe de presiune dintre interior și exterior”, a spus Dunsky. „Așadar, atunci când se ciocnesc, obțineți această coliziune violentă între aceste două obiecte foarte relativiste, oarecum similară cu modul în care găurile negre emit unde gravitaționale puternice chiar înainte de a se ciocni.”

Corzi și pereți

În mod mai speculativ, tranzițiile de fază în universul timpuriu ar fi putut crea și structuri numite șiruri cosmice și pereți de domenii - fire și, respectiv, foi enorme de energie densă.

Aceste structuri apar atunci când starea fundamentală a unui câmp cuantic se modifică în așa fel încât există mai mult de o stare fundamentală nouă, fiecare la fel de valabilă. Acest lucru poate duce la defecte de înaltă energie de-a lungul granițelor dintre buzunarele universului care s-au întâmplat să cadă în stări fundamentale diferite, dar la fel de favorabile.

Procesul seamănă puțin cu modul în care anumite roci dezvoltă magnetism natural pe măsură ce se răcesc, a spus Dunsky, care a făcut-o a studiat amprentele observabile a procesului. La temperaturi ridicate, atomii sunt orientați aleatoriu. Dar la temperaturi scăzute, devine energetic favorabil pentru ei să se alinieze magnetic - starea fundamentală se schimbă. Fără un câmp magnetic extern care să orienteze atomii, ei sunt liberi să se alinieze în orice fel. Toate „alegerile” sunt la fel de valabile, iar diferitele domenii ale mineralului vor face, întâmplător, alegeri diferite. Câmpul magnetic generat de toți atomii se îndoaie dramatic la granițele dintre domenii.

În mod similar, câmpurile cuantice din diferite regiuni ale universului „trebuie să se schimbe rapid la limita” acestor domenii, a spus el, rezultând densități mari de energie la aceste granițe care „semnifică prezența unui perete de domeniu sau a unui șir cosmic”.

Aceste șiruri cosmice și pereți de domeniu, dacă ar exista, s-ar fi întins pentru a acoperi practic întregul univers pe măsură ce spațiul s-a extins. Aceste obiecte produc unde gravitaționale pe măsură ce îndoirile se propagă de-a lungul lor și pe măsură ce buclele oscilează și formează cuspizi. Dar scările de energie ale acestor unde au fost stabilite în mare parte ca obiectele formate în primele momente ale universului. Și LISA le-ar putea detecta, dacă există.

Ecouri ale Creației

Undele gravitaționale care ajung la noi din universul foarte timpuriu nu vor ajunge în ciripit bine ambalat, precum semnalele coliziunilor cu găurile negre. Deoarece s-au întâmplat atât de devreme, astfel de semnale au fost extinse de atunci în tot spațiul. Vor ecou din toate direcțiile, din fiecare punct din spațiu, toate deodată - un zumzet gravitațional de fundal.

„Îți pornești detectorul și este mereu acolo”, a spus Garcia Garcia.

Modelele din acest fundal ar arăta probabil „doar ca un zgomot pentru o persoană obișnuită”, a spus Sundrum. „Dar în secret, există un cod ascuns.”

Un indiciu important va fi spectrul semnalului de fundal - puterea acestuia la frecvențe diferite. Dacă ne gândim la un semnal de undă gravitațională ca un sunet, spectrul său ar fi o diagramă a înălțimii în funcție de volum. Zgomotul alb cu adevărat aleatoriu ar avea un spectru plat, a spus Auclair. Dar undele gravitaționale dezlănțuite în timpul tranzițiilor de fază sau aruncate din șiruri cosmice sau din pereții domeniului ar fi cele mai puternice la anumite frecvențe. Auclair a lucrat la calcularea semnăturilor spectrale ale corzilor cosmice, care aruncă unde gravitaționale la lungimi de undă caracteristice atunci când îndoirile și buclele lor evoluează. Și Caprini studiu cât de violente și-ar lăsa tranzițiile de fază pe fondul undelor gravitaționale.

O altă abordare, pe care Sundrum și colegii săi subliniat în 2018 și elaborat recent, ar fi să încercăm să cartografiez intensitatea generală a fundalului pe cer. Acest lucru ar face posibilă căutarea unor anizotropii sau petice care sunt doar puțin mai zgomotoase sau mai silențioase decât media.

„Problema”, a spus Caprini, „este că acest tip de semnal are practic aceleași caracteristici ale zgomotului instrumentului. Deci întreaga întrebare este cum să o putem distinge odată ce detectăm ceva.”

LISA seamănă mai mult cu un microfon decât cu un telescop. În loc să privească într-o anumită direcție, va asculta întregul cer deodată. Va auzi unde gravitaționale primordiale dacă sunt prezente. Dar va auzi, de asemenea, ciripiturile și urletele găurilor negre care fuzionează, stelelor neutronice și numeroaselor perechi de stele pitice albe din galaxia noastră. Pentru ca LISA să detecteze un fundal de unde gravitaționale primordiale, toate celelalte semnale vor trebui identificate și îndepărtate cu atenție. Filtrarea semnalului adevărat din universul timpuriu va fi ca și cum ai auzi sunetul unei brize de primăvară pe un șantier.

Dar Sundrum alege să aibă speranță. „Nu suntem nebuni să facem cercetări”, a spus el. „Va fi greu pentru experimentați. Va fi greu pentru public să plătească pentru diferitele lucruri care trebuie făcute. Și teoreticienilor le va fi greu să-și calculeze drumul dincolo de toate incertitudinile, erorile și fundațiile și așa mai departe.”

Dar totuși, a adăugat Sundrum, „pare a fi posibil. Cu puțin noroc.”