Niedawne badania wskazują, że proste formy materii z wczesnego Wszechświata można wykryć za pomocą fal grawitacyjnych, co może również wyjaśniać naturę ciemnej materii. Źródło: SciTechDaily.com
Niedawne badania wskazują, że można wykryć proste formy materii z wczesnego Wszechświata fale grawitacyjneco może również wyjaśniać naturę ciemnej materii.
Odkrycia te stanowią potencjalny przełom zarówno w wykrywaniu fal grawitacyjnych, jak i identyfikacji składników ciemnej materii.
Fale grawitacyjne, czyli zmarszczki w czasoprzestrzeni przewidywane przez Einsteina prawie sto lat temu, zostały po raz pierwszy wykryte w 2015 roku. Nowe badanie prowadzone przez Yanou Cui, profesora nadzwyczajnego fizyki i astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside, pokazuje, że bardzo proste formy materii mogą wkrótce po tym stworzyć wykrywalne tła fal grawitacyjnych Wielki Wybuch.
„Ten mechanizm tworzenia wykrywalnego tła fal grawitacyjnych może rzucić światło na zagadkowy sygnał fali grawitacyjnej zarejestrowany niedawno przez obserwatoria synchronizacji pulsarów” – powiedział Cui. „Kolejną ekscytującą implikacją jest to, że tę samą formę materii można zidentyfikować jako ciemną materię – tajemniczą substancję, która, jak się uważa, stanowi większość masy Wszechświata, co od dziesięcioleci intryguje naukowców”.
Badanie opublikowane w Listy z przeglądu fizycznego, toruje drogę do odkrycia nowej podstawowej fizyki przy użyciu największego laboratorium: samego wszechświata. W poniższych pytaniach i odpowiedziach Cui odpowiada na kilka pytań dotyczących badania:
Czym są te bardzo proste formy materii?
Prosta forma materii to rodzaj ultralekkiej materii pola skalarnego. Skalar oznacza, że materia nie ma rotacji wewnętrznej (spinu) i przypomina bozon Higgsa. Te formy materii są bardzo lekkie, a każda z nich ma masę jednej milionowej, a nawet miliardowej masy elektronu. Ze względu na bardzo małą masę zachowują się bardziej jak fale niż cząstki i przenikają wszechświat.
Fale grawitacyjne muszą mieć wystarczająco dużą intensywność, analogiczną do fal elektromagnetycznych, aby obecne eksperymenty były wystarczająco czułe, aby je uchwycić. Muszą także znajdować się w pasmach częstotliwości, na które wrażliwe są te eksperymenty; jak dotąd ze względu na ograniczenia technologiczne można wykryć tylko określone zakresy częstotliwości fal grawitacyjnych.
Te proste formy materii generują wykrywalne tło promieniowania w postaci fal grawitacyjnych wkrótce po Wielkim Wybuchu i nigdy wcześniej?
Tak, fale grawitacyjne powstają w czasach, gdy tempo ekspansji Wszechświata jest zbliżone do masy pola skalarnego. Zatrzymałoby się poza tym punktem, ponieważ produkcja cząstek zostałaby w pewnym momencie wyłączona przez wewnętrzny mechanizm. Kiedy mówię, że wkrótce po Wielkim Wybuchu, minął jeszcze ułamek sekundy. Dużo po Wielkim Wybuchu może nastąpić produkcja GW ze źródeł astrofizycznych, takich jak czarna dziura fuzji, które zaobserwowało Obserwatorium Fal Grawitacyjnych Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory.
Dlaczego te proste formy materii nie były znane aż do teraz?
Nie oddziałują ze znaną materią w inny sposób niż supersłabe oddziaływanie grawitacyjne. Zademonstrowany przez nas sygnał fali grawitacyjnej jest sposobem na ich wykrycie. Jeśli jednak są to ciemna materia, wiemy o nich z ogólnych dowodów na istnienie ciemnej materii. Ponownie, ponieważ oddziałują grawitacyjnie jedynie z materią widzialną, która jest bardzo słaba, wcześniej niewiele o nich wiedzieliśmy.
Mówisz, że ekscytujące byłoby zidentyfikowanie tej prostej formy materii jako ciemnej materii. Czy to dlatego, że w końcu dowiemy się, z czego zbudowana jest ciemna materia?
Tak, to jedna z najważniejszych atrakcji. Ale wytworzenie wykrywalnych fal grawitacyjnych jest również wysoce nietrywialne i odkryliśmy, że prosta forma materii, prawdopodobnie ciemna materia, może wytwarzać takie fale grawitacyjne – co jest znaczącym osiągnięciem teoretycznym. Poza tym, jak już wspomniałem, zagadka pulsar Ustalenie harmonogramu w zeszłym roku można wyjaśnić tym mechanizmem.
Odniesienie: „Symfonia fal grawitacyjnych z oscylujących pól skalarnych widzów” Yanou Cui, Pankaj Saha i Evangelos I. Sfakianakis, 11 lipca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021004
