North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) är en gravitationsvågdetektor som övervakar områden i närheten av jorden med hjälp av ett nätverk av pulsarer (dvs. klockliknande stjärnor). I slutet av 2020, NANOGrav-samarbetet samlade bevis på fluktuationer i tidsdata för 45 pulsarer, som kan vara kompatibel med en stokastisk gravitationsvågbakgrundssignal (SGWB) vid nanohertz-frekvenser.

Dessa gravitationsvågor skulle potentiellt kunna kopplas till sammanslagningar av extremt massiva svarta hål. Team av teoretiska fysiker över hela världen, dock, har tillhandahållit alternativa förklaringar till gravitationsvågorna som observerats av NANOGrav. Vissa grupper har föreslagit att de kunde ha producerats av supertäta filament som kallas kosmiska strängar, medan andra antog att de kunde ha genererats under födelsen av ursprungliga svarta hål.

En kosmisk strängtolkning av NANOGrav-data

John Ellis och Marek Lewicki, två forskare vid King's College London och University of Warszawa, erbjöd nyligen en kosmisk strängteoretisk tolkning av de nya NANOGrav-data. De visade att SGWB-signalen som NANOGrav kan ha observerat kunde produceras av ett nätverk av kosmiska strängar födda i det tidiga universum. Forskarna teoretiserade att detta nätverk skulle utvecklas när universum expanderar, producerar slutna slingor när strängar kolliderar. Dessa slingor skulle sedan sakta sönderfalla till gravitationsvågor, vilket resulterar i signalen som detekteras av NANOGrav.

"Vi visade att kosmiska strängar ger en mycket bra passform till NANOGrav-signalen, något bättre än den möjliga alternativa källan till supermassiva svarta håls binärer, sade Ellis och Lewicki. Dessutom, vi visade att vår hypotes kommer att vara enkel att testa i framtida gravitationsvågobservatorier som LISA."

"Vår forskning är baserad på år av arbete av många grupper som möjliggjorde noggranna beräkningar av gravitationsvågssignalen som produceras av kosmiska strängar, " Ellis och Lewicki berättade för Phys.org. "Vi satte igång så fort vi fick reda på de lovande nya uppgifterna från NANOGrav-samarbetet, för att kontrollera hur bra en kandidat ett nätverk av kosmiska strängar skulle vara för att förklara data."

Ellis och Lewickis papper påpekar att universums expansionshistoria också är kodad i signalen. Detta beror på att nätverket av kosmiska strängar som de beskriver skulle avge en signal genom universums historia och alla funktioner i universums expansion skulle lämna ett matchande avtryck på signalens spektrum som sedan skulle kunna undersökas av framtida detektorer.

"Tack vare styrkan på signalen som behövs för att förklara NANOGrav-data, detta skulle göra det möjligt att undersöka universums historia tillbaka till tider mycket tidigare än man tidigare trott, motiverar ytterligare studier, " sa Ellis och Lewicki. "Vi arbetar för närvarande mot AION och AEDGE, som är nya föreslagna experiment som i framtiden skulle kunna undersöka en annan del av universums historia än NANOGrav eller LISA, och eventuellt testa vår tolkning av NANOGrav-data."

NANOGrav-signalen som det första beviset på kosmiska strängar

Parallellt med arbetet av Ellis och Lewicki, forskare vid Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) och CERN försökte också teoretiskt visa att gravitationsvågor från kosmiska strängar är en välmotiverad och fullt genomförbar förklaring till den pulsartimingsignal som detekteras av NANOGrav. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , bygger på ett antal tidigare studier inom gravitationsvågsastronomi.

"Sedan den banbrytande upptäckten av gravitationsvågor av LIGO 2015, gravitationsvågsastronomins område har fortsatt att göra framsteg i en imponerande takt, " Kai Schmitz från CERN, en av författarna till tidningen, berättade för Phys.org. "Än så länge, alla observerade signaler orsakades av astrofysiska händelser såsom sammanslagningar av binära svarta hål. Dessa händelser kallas "transienta" och leder bara till kortvariga signaler i gravitationsvågsdetektorer. Nästa stora steg i gravitationsvågastronomi kommer därför att bli upptäckten av en stokastisk "bakgrund" av gravitationsvågor, en signal som ständigt är närvarande, når oss från alla håll i rymden."

Detekteringen av "bakgrunds" gravitationssignaler kan associeras med en bredare variation av astrofysiska och kosmologiska fenomen, allt från binära sammanslagningar till händelser som ägde rum i det tidiga universum. Anmärkningsvärt, en sådan SGWB-signal kan också vara gravitationsvågsekvivalenten till den kosmiska mikrovågsbakgrundssignalen (CMB), som i huvudsak är efterglöden från Big Bang i elektromagnetisk strålning och vid mikrovågsfrekvenser.

"Som partikelfysiker, vi är särskilt intresserade av de ursprungliga bidragen till SGWB, som lovar att koda en mängd information om dynamiken i det tidiga universum och därmed partikelfysik vid de högsta energierna, ", sade Schmitz. "Möjliga källor till primordiala gravitationsvågor kan vara kosmisk inflation, fasövergångar i det tidiga universums vakuumstruktur och kosmiska strängar. I våra tidigare projekt, vi hade redan utforskat alla dessa tre möjligheter."

I deras senaste studie, Schmitz och hans MPIK-kollegor Simone Blasi och Vedran Brdar antog att pulsartiddata som samlats in av NANOGrav kan vara det första beviset på kosmiska strängar. Kosmiska strängar är teoretiserade att vara resterna av fasövergångar vid extremt höga energier, möjligen nära energiskalan för storslagen enande (dvs. de energier vid vilka alla subatomära naturkrafter förutsägs förenas i en gemensam kraft).

"I detta fall, fasövergången som ger upphov till kosmiska strängar kommer sannolikt inte att leda till en observerbar signal i själva gravitationsvågorna, antingen för att den helt enkelt inte producerar någon märkbar signal eller för att signalen är placerad på hög nivå, oobserverbara frekvenser, " sa Schmitz. "Kosmiska strängar, dock, resterna av fasövergången, har en chans att producera en stor signal i gravitationsvågor som, om det upptäcks, kan berätta om symmetrierna och krafterna som styrde universum under de första ögonblicken av dess existens."

Förr, fysiker har föreslagit ett antal teoretiska modeller som spekulerar i vilka typer av ny fysik som kan ge upphov till ett nätverk av kosmiska strängar i det tidiga universum. I några av deras tidigare studier, Schmitz, Blasi och Brdar fokuserade specifikt på idén att kosmiska strängar kan vara relaterade till ursprunget till neutrinomassorna och den kosmiska asymmetrin mellan materia och antimateria.

"Denna koppling mellan gravitationsvågor, kosmiska strängar och den så kallade vippmekanismen, den mest studerade realiseringen av neutrinomassgenerering, har undersökts i många studier, både av oss och andra team, " sade Schmitz. "Kosmiska strängar av denna typ kallas 'kosmiska B-L-strängar, " eftersom de är resultatet av en kosmologisk fasövergång som leder till brott mot BL (B minus L) symmetri; där BL står för skillnaden mellan baryon (B) och lepton (L) nummer. BL symmetri spelar en viktig roll i gungbrädan mekanismen; endast "brytandet" av denna symmetri i det tidiga universum banar väg för ett fysiskt tillstånd av universum där neutriner kan förvärva massa via gungbrädans mekanism."

Schmitz och hans kollegor har redan teoretiserat om gravitationsvågor som kan uppstå från kosmiska B-L-strängar i en artikel som publicerades 2020. I detta tidigare arbete, de fokuserade specifikt på gravitationsvågspektrat vid högre frekvenser, utforska möjligheten att sondera speciella hörn av parameterutrymme som är relevanta ur gungbrädans mekanism.

"När vi först hörde om det nya NANOGrav-resultatet, vi var helt beredda att jämföra våra förutsägelser för en kosmisk sträng-inducerad gravitationsvågssignal med signalen i NANOGrav-data, ", sade Schmitz. "Vi började alltså omedelbart beräkna gravitationsvågspektrat från kosmiska strängar i nanohertz-frekvensområdet. Till skillnad från vår analys i april 2020, vi fokuserade inte längre på kosmiska B-L-strängar, men betraktade kosmiska strängar i en mer allmän mening, förblir agnostiker om detaljerna i deras ursprung vid mycket höga energier."

I deras senaste studie, Schmitz, Blasi och Brdar ville visa att signalen som observerades av NANOGrav kunde reflektera gravitationsvågorna som produceras av kosmiska strängar. Dessutom, de försökte kartlägga hela den livskraftiga regionen i det kosmiska strängparameterutrymmet som skulle tillåta en att passa data.

"För närvarande, det är viktigt att vara försiktig, eftersom det inte ens är klart ännu om NANOGrav verkligen har upptäckt en gravitationsvågsbakgrund, " sade Schmitz. "För detta ändamål, det är först nödvändigt att detektera ett specifikt korrelationsmönster bland tidsresidualerna för individuella pulsarer. Detta mönster kan avbildas som en graf som visar korrelationen mellan par av pulsarer som en funktion av vinkeln som separerar två pulsarer på himlen; denna graf är den berömda Hellings-Downs kurvan."

För att bekräfta att signalen som detekteras av NANOGrav härrör från gravitationsvågor, fysiker skulle först behöva visa att den överensstämmer med Hellings-Downs-kurvan. Även om uppgifterna verkar vara ganska anpassade till denna tolkning, forskare har ännu inte samlat tillräckligt med bevis för Helling-Downs-mönstret som dyker upp i data. Pågående och framtida studier, dock, kunde i slutändan fastställa giltigheten av NANOGrav-pulsartidsignalen och mäta några av dess egenskaper med bättre precision. Mätning av NANOGrav-signalens egenskaper (t.ex. om den stiger/faller som en funktion av frekvens och, om så är fallet, hur snabbt den stiger/faller) kan hjälpa till att fastställa dess möjliga källor.

"Allt vi kan säga är att för närvarande, gravitationsvågor från kosmiska strängar är en perfekt gångbar förklaring av signalen, " sade Schmitz. "Kosmiska strängar resulterar i rätt amplitud A för signalen; de resulterar i ett spektralindexgamma som är helt överensstämmande med NANOGrav-gränserna för denna parameter; och de förutspådda gammavärdena är till och med något (men bara en smula bit) bättre i överensstämmelse med data än värdet gamma =13/3 förutsagt av supermassiva svarta håls binärer."

Övergripande, studien utförd av Schmitz, Blasi och Brdar demonstrerar teoretiskt att kosmiska strängar kan vara en genomförbar förklaring av NANOGrav-signalen. Dessutom, forskarna visade att tolkningen av kosmiska strängar fungerar för ett stort antal av de två kosmiska strängparametrarna som de fokuserade på i sin uppsats:den kosmiska strängens spänning Gmu och den kosmiska strängens loopstorlek alfa.

"Detta gör tolkningen av kosmiska strängar flexibel och öppnar många möjligheter angående de kosmiska strängarnas möjliga ursprung, ", förklarade Schmitz. "Stora slingor med en liten spänning kan förklara signalen, mindre slingor med en något större spänning kan förklara signalen, etc."

Förutom att teoretiskt demonstrera att NANOGrav-signalen kunde reflektera kosmiska strängar, forskarna visade att framtida gravitationsvågsexperiment vid högre frekvenser kommer att undersöka ett stort livskraftigt parameterutrymme. Detta fynd tyder på att gravitationsvågor från kosmiska strängar kan vara ett idealiskt riktmärke för multifrekvent gravitationsvågastronomi.

"Till skillnad från många andra förklaringar av NANOGrav-signalen, vi förutspår att kosmiska strängar också kommer att leda till en signal som kommer att observeras i rymdbaserade och nästa generations markbaserade experiment, ", sade Schmitz. "Denna aspekt av vår tolkning framhäver komplementariteten av dessa mätningar vid låga och höga frekvenser. En positiv detektering vid höga frekvenser kommer särskilt att tillåta en att rekonstruera expansionshistorien för det tidiga universum."

Parametern Gmu, kännetecknar den kosmiska strängspänningen, eller energi per längdenhet, kan översättas till en uppskattning av energiskalan vid vilken kosmiska strängar antas ha bildats i det tidiga universum. De Gmu-värden som Schmitz och hans kollegor hittade i sin analys pekar på en energiskala i intervallet 10 ¹⁴ till 10 ¹⁶ GeV.

"Detta är typiska värden som man också möter i stora förenade teorier (GUT) som beskriver föreningen av subatomära krafter vid mycket höga energier, ", förklarade Schmitz.

"Våra resultat överensstämmer därför med idén om storslagen enande och brytandet av vissa symmetrier i det tidiga universum som resulterar i skapandet av ett nätverk av kosmiska strängar."

Även om de teoretiska analyser som genomförts av detta team av forskare är mycket insiktsfulla, det är viktigt att notera att modeller av gravitationsvågsignalen som skulle produceras från kosmiska strängar är förknippade med några teoretiska osäkerheter. Till exempel, två av de mest använda metoderna för att studera kosmisk strängdynamik i storskaliga datorsimuleringar, nämligen "Nambu-Goto-strängarna" och "Abelian Higgs-strängarna" närmar sig, leder inte alltid till samma resultat.

"I vårt arbete, vi använder simuleringar av Nambu-Goto-strängar, " tillade Schmitz. "På lång sikt, det skulle vara intressant att lösa diskrepansen mellan dessa två tillvägagångssätt, som, dock, är en mycket utmanande uppgift. Sålänge, vi planerar därför att gå vidare i mindre steg och successivt förbättra Nambu-Goto-beskrivningen av kosmiska strängar."

I Nambu-Goto uppskattning, kosmiska strängar är mer eller mindre funktionslösa, eftersom de beskrivs som endimensionella objekt som bär en viss mängd energi per längdenhet.

Denna representation kanske inte faktiskt återspeglar egenskaperna hos kosmiska strängar i verkliga scenarier.

"Kosmiska strängar kan faktiskt bära en elektrisk ström, de kan förlora energi genom emission av elementarpartiklar utöver emission av gravitationsvågor, etc., ", sa Schmitz. "I våra nästa studier, vi planerar därför att redogöra för dessa förfiningar steg för steg och undersöka hur dessa mer sofistikerade aspekter kan manifestera sig i gravitationsvågsspektrumet. På samma gång, vi tror inte att dessa förbättringar kommer att störta vår kosmiska strängtolkning av NANOGrav-signalen."

NANOGrav-data som en indikation på ursprungliga svarta hål

Vissa forskare har också kommit med förklaringar till NANOGrav-data som inte ser signalen i sammanhanget med kosmiska strängar. Till exempel, ett team vid Université de Genève föreslog att en sådan SGWB-signal också kunde genereras genom bildandet av ursprungliga svarta hål från de störningar som genererades när universum expanderade.

"Vi gav en möjlig tolkning av den gemensamma spektrumsignalen, som inducerats av gravitationsvågor genererade i det tidiga universum i samband med födelsen av ursprungliga svarta hål, som är svarta hål som bildades vid tidiga epoker under universums utveckling, "Antonio Riotto, Valerio De Luca och Gabriele Franciolini, de tre forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e-post. "Ursvarta hål med massor inte långt från asteroidernas typiska massa kan omfatta hela den mörka materien i universum och, deras bildningsprocess lämnar efter sig en stokastisk bakgrund av gravitationsvågor som förklarar NanoGrav-data."

Enligt Riotto, De Luca och Franciolini, idén att all mörk materia i universum är gjord av ursvarta hål och det faktum att deras bildande skulle lämna efter sig en SGWB-signal liknande den som upptäckts av NANOGrav kan tyckas orelaterade, ändå kunde de kopplas ihop på intressanta sätt. Till exempel, om ursprungliga svarta hål utgjorde hela mörk materia i universum, det skulle inte vara nödvändigt att komma med spekulativa förklaringar för att beskriva eller förklara existensen av mörk materia, eftersom det faktiskt skulle vara sammansatt av "vanlig" materia, som fysiker redan är bekanta med.

"Verkligen, om den mörka materien är gjord av ursprungliga svarta hål, man skulle inte behöva åberopa några spekulativa förklaringar för att förklara den mörka materien:Ursprungliga svarta hål är, faktiskt, gjord av samma vanliga materia som vi känner, " förklarade forskarna. "Vår studie ger en ekonomisk förklaring av signalen som upptäckts av NANOGrav-samarbetet med en elegant koppling till jakten på mörk materia, som skulle kunna undersökas ytterligare med hjälp av framtida gravitationsvågsexperiment som LISA, en rymdinterferometer."

Gravitationsvågens bakgrund signalerar att De Luca, Franciolini och Riotto förutspådde produceras av ursprungliga svarta hål som snart skulle kunna undersökas i andra frekvensområden (t.ex. runt milliHertz-frekvenser). I sina nästa studier, forskarna planerar därför att söka efter bevis på förekomsten av ursprungliga svarta hål genererade i det tidiga universum genom att analysera nya gravitationsvågdata i andra frekvenser.

"Särskilt, vi vill göra förutsägelser för mängden gravitationsvågor som kommer att detekteras i framtida experiment, som LISA eller European Einstein Telescope, en underjordisk detektor, kommer att upptäcka, " sa forskarna.

Inom en snar framtid, NANOGrav-samarbetet kommer att försöka bekräfta giltigheten av signalen som den upptäckte. Under tiden, teoretiska fysiker över hela världen arbetar fortfarande med många intressanta teorier som kan förklara denna signals natur. De artiklar som publicerats av dessa team vid Max-Planck-Institut für Kernphysik, CERN, King's College London, universitetet i Warszawa och Université de Genève erbjuder särskilt anmärkningsvärda tolkningar som skulle kunna bekräftas eller vederläggas av framtida studier.

© 2021 Science X Network