Niedawne badania rzucają światło na pochodzenie zmarszczek o niskiej częstotliwości w czasoprzestrzeni.
Nanoherc fale grawitacyjnewykryte w 2023 r., to subtelne zaburzenia czasoprzestrzeni, których pochodzenie wciąż jest przedmiotem dyskusji; ostatnie badania sugerują, że ich tworzenie może obejmować złożoną fizykę wykraczającą poza obecne zrozumienie, co podważa wcześniejsze teorie ich powiązania z wczesnymi kosmicznymi przejściami fazowymi.
Tak jak kamień wrzucony do wody tworzy zmarszczki, tak zderzenie masywnych ciał niebieskich, takich jak czarne dziury, wytwarza fale grawitacyjne – zakłócenia, które marszczą strukturę czasoprzestrzeni.
W 2023 r. zidentyfikowano specyficzny typ, nanohercowe fale grawitacyjne. Fale te mają tak niską częstotliwość, że zaobserwowanie pełnego cyklu zajęło naukowcom ponad 10 lat. Jednak sposób, w jaki powstają te fale, jest nadal niejasny.
Niektórzy naukowcy uważali, że pochodzą one z przejścia fazowego pierwszego rzędu – zmiany w strukturze Wszechświata podczas jego rozszerzania się i ochładzania. Jednak nowe badanie opublikowane w Listy z przeglądu fizycznego podważa tę teorię.
Dr Andrew Fowlie, adiunkt na Uniwersytecie Xi’an Jiaotong-Liverpool (XJTLU) w Chinach i autor artykułu, mówi: „Teoretycy i eksperymentatorzy spekulują, że nanohercowe fale grawitacyjne pochodzą ze znanego przejścia, które miało miejsce bardzo szybko po Wielki Wybuch – zmiana, która wygenerowała masy wszystkich znanych cząstek elementarnych.
„Jednak nasza praca odkrywa poważne problemy z tak atrakcyjnym wyjaśnieniem ich pochodzenia”.
Niekompletne przejścia
„Odkryliśmy, że aby wytworzyć fale o tak małych częstotliwościach, przejście musiałoby być superchłodne” – mówi dr Fowlie.
Możemy zrozumieć przejścia przechłodzone, myśląc o lodzie i wodzie. Wszyscy wiemy, że woda zmienia się w lód, gdy temperatura spada poniżej zera. Woda może jednak utknąć w fazie ciekłej, nawet poniżej temperatury zamarzania, spowalniając przejście w lód.
Jednakże dr Fowlie wyjaśnia, dlaczego jego zespół badawczy uważa, że nanohercowe fale grawitacyjne nie powstają w wyniku przechłodzonych przejść fazowych pierwszego rzędu. „Te powolne przejścia miałyby trudności z zakończeniem, ponieważ tempo przejścia jest wolniejsze niż tempo kosmicznej ekspansji Wszechświata.
„A co by było, gdyby przejście na koniec przyspieszyło? Obliczyliśmy, że nawet jeśli pomogłoby to w zakończeniu przejścia, przesunęłoby częstotliwość fal z nanoherców.
„Tak więc, chociaż nanohercowe fale grawitacyjne są chłodne, prawdopodobnie nie mają pochodzenia superchłodnego.
„Jeśli te fale grawitacyjne rzeczywiście pochodzą z przejść fazowych pierwszego rzędu, wiemy teraz, że musi istnieć jakaś nowa, znacznie bogatsza fizyka – fizyka, o której jeszcze nie wiemy”.
Tajemnice pozostają
Doktor Fowlie i współautorzy twierdzą, że ich wyniki pokazują, że przy badaniu przejść superchłodnych należy zachować większą ostrożność.
„Ponieważ są to z konieczności powolne przejścia, zwykłe uproszczenia dotyczące tego, czy przejścia zostaną zakończone, czy nie, nie będą działać.
„Istnieje wiele subtelności w powiązaniach między skalą energii przejść a częstotliwością fal, dlatego potrzebujemy bardziej ostrożnych i wyrafinowanych technik, rozważając fale grawitacyjne i przejścia superchłodne”.
„Zrozumienie tego pola pomoże nam zrozumieć najbardziej podstawowe pytania dotyczące pochodzenia wszechświata.
„Zawiera również łącza do zastosowań bliżej domu, takich jak zrozumienie, w jaki sposób woda przepływa przez skałę, najlepsze sposoby perkolacji kawy i rozprzestrzenianie się pożarów”.
Zainteresowanie dr Fowliego falami grawitacyjnymi zrodziło się w momencie ich pierwszego wykrycia w 2015 roku; pracował na Uniwersytecie Monash w Australii, gdzie szybko rozwinęli badania z wykorzystaniem tego nowego przełomu.
„Miałem szczęście, że znalazłem się we właściwym miejscu, gdy było jeszcze stosunkowo wcześnie na pracę w tej dziedzinie, więc mogliśmy być gotowi zastanowić się nad wpływem, jaki fenomenologia fal grawitacyjnych i ich wykrywanie może mieć na obecne modele fizyki .”
Odnośnik: „Czy przechłodzone przejścia fazowe mogą wyjaśnić tło fali grawitacyjnej obserwowane przez układy synchronizacji pulsarów?” autorzy: Peter Athron, Andrew Fowlie, Chih-Ting Lu, Lachlan Morris, Lei Wu, Yongcheng Wu i Zhongxiu Xu, 28 maja 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.221001
Badanie zostało sfinansowane przez Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych, Uniwersytet Xi’an Jiaotong-Liverpool, program szkoleniowy rządu australijskiego w zakresie badań naukowych oraz stypendium Monash Graduate Excellence Scholarship.
