Gravitationsmässigt är universum en bullrig plats. En samling gravitationsvågor från okända källor strömmar oförutsägbart runt rymden, inklusive möjligen från det tidiga universum.
Forskare har letat efter tecken på dessa tidiga kosmologiska gravitationsvågor, och ett team av fysiker har nu visat att sådana vågor borde ha en distinkt signatur på grund av beteendet hos kvarkar och gluoner när universum svalnar. Ett sådant fynd skulle ha en avgörande inverkan på vilka modeller som bäst beskriver universum nästan omedelbart efter Big Bang. Studien är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .
Forskare hittade först direkta bevis för gravitationsvågor 2015 vid LIGO gravitationsvåginterferometrar i USA. Dessa är singulära (om än liten amplitud) vågor från en viss källa, till exempel sammanslagning av två svarta hål, som sköljer förbi jorden. Sådana vågor gör att de 4 km långa vinkelräta armarna på interferometrarna ändrar längd med minimala (men olika) mängder, skillnaden som upptäcks av förändringar i det resulterande interferensmönstret när laserstrålar färdas fram och tillbaka i detektorns armar.
Men det finns mindre gravitationsvågor också, så många att de ser ut som buller. Forskare har flitigt letat bland detta brus efter den stokastiska gravitationsvågens bakgrund (stokastiska betyder slumpmässigt bestämda, nämligen oförutsägbara). Men dessa mindre gravitationsvågor är svårare att upptäcka, och forskare har vänt sig till millisekundspulsarmatriser, där avståndet från jorden till en avlägsen pulsar är den effektiva interferometerarmlängden.
Pulsarer – roterande neutronstjärnor – skickar ut strålar av strålning, några i en riktning så att strålen sveper förbi jorden, som en stråle från en roterande fyr. Pulsarer har en extremt stabil rotationsperiod, och varje mätning av denna klocktiming skulle subtilt förändras av de otaliga mindre gravitationsvågorna som har våglängder på ljusår.
Förra året publicerade NANOgrav-samarbetet bevis för att dessa lågfrekventa, stokastiska gravitationsvågor existerar i rymdtidsbakgrunden, liksom andra grupper. Men vad är deras källa? Kommer bakgrunden från astrofysiska fenomen, som hundratusentals sammanslagna supermassiva svarta hål, supernovor och liknande?
Kanske har bakgrunden sitt ursprung i det tidiga universum och dess vågor har fortplantat sig sedan dess, i likhet med den kosmiska mikrovågsbakgrunden som fyller hela rymden på grund av frikopplingen av fotoner från elektroner 380 000 år efter Big Bang. Eller något annat?
Att särskilja scenarierna står inför utmaningar. Den nuvarande förståelsen av supermassiva svarta håls fysik är ännu inte tillräckligt utvecklad för att dra säkra slutsatser. Och det kontinuerliga spektrumet av bakgrundgravitationsvågor beror på de mikroskopiska detaljerna i deras källa och kräver detaljerade numeriska simuleringar.
Detta nya arbete ger ett sätt att skilja tidiga universumvågor från vågor från andra källor. Standardmodellfysik – de framgångsrika teorierna om starka, svaga och elektromagnetiska interaktioner – bör lämna ett distinkt fotavtryck på den uppmätta bakgrunden som är oberoende av den exakta tidiga universummodellen som valts.
När universum svalnade från det första ögonblicket av Big Bang, gick det igenom olika faser. En som nämnts ovan är frikopplingen av fotoner efter 380 000 år, eftersom universum blev tillräckligt kallt så att elektroner kunde binda till protoner och bilda väteatomer och lämna fotonerna plötsligt i drift.
Men det fanns en tidigare övergång, eller korsning, då fria kvarkar och gluoner, som hade bildat en kvarg-gluon-plasma, smälte samman till individuella partiklar av två eller flera kvarkar som satt ihop som ett resultat av den starka kraften, med gluoner fångade med dem.
Denna "quantum chromodynamik (QCD) crossover" förväntas ha inträffat när universum hade en temperatur på cirka en biljon Kelvin, cirka 10 -5 sekunder efter Big Bang. Det motsvarar en energi på cirka 100 MeV. (QCD är teorin om den starka kraften.)
Som det visar sig är de nanohertz-frekvenser som undersöks av pulsartimingsmatriser av samma ordning som de observerbara lågfrekventa stokastiska gravitationsvågorna i bakgrunden. Överkorsningen skapar inte vågorna, men det plötsliga fallet i antalet fria partiklar ändrar ekvationen som styr tillståndet i universum. Gravitationsvågskällor före QCD-korsningen producerar en lågfrekvent signal som påverkas av denna förändring i tillståndsekvationen. Forskare säger att signalen nu kan sökas efter i pulsar timing array-data.
"Vi tror att en korrekt karakterisering av gravitationsvågsbakgrunden för olika ursprung är ett avgörande steg för att gå vidare i denna utforskning", säger Davide Racco, medförfattare till tidningen från Stanford University's Institute for Theoretical Physics.
"Vi lyfter fram en generisk och oundviklig funktion för ett brett spektrum av urfenomen som vi visar sig vara en användbar ingrediens för att skilja mellan olika källor till bakgrunden."
Ett sådant resultat skulle vara en häpnadsväckande inverkan av kvantfysikens krångligheter på universum vi ser idag, och återigen demonstrera hur partikelfysik och kosmologi möts på samma grund.
Mer information: Gabriele Franciolini et al, Footprints of the QCD Crossover on Cosmological Gravitational Waves at Pulsar Timing Arrays, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.081001
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
