Могут ли они объяснить сигналы гравитационных волн?
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, рассматривается возможность того, что сильно переохлажденный фазовый переход первого порядка в ранней Вселенной может объяснить сигналы гравитационных волн, наблюдаемые пульсарами (PTAs) с разрешением по времени.
Гравитационные волны, впервые предложенные Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности, представляют собой рябь в ткани пространства-времени, вызванную бурными процессами, такими как слияние черных дыр.
Впервые они были обнаружены LIGO в 2016 году, подтвердив предсказания Эйнштейна почти столетие спустя. Наиболее распространенными источниками черных дыр являются слияния черных дыр, вращающиеся нейтронные звезды и сверхновые.
Недавно NANOGrav, или Североамериканская наногерцовая гравитационно-волновая обсерватория, обнаружила присутствие стохастического гравитационно-волнового фона (СГВФ) от массивов синхронизации пульсаров (PTA).
SGWB отличаются тем, что они изотропны, то есть распространяются одинаково во всех направлениях, что указывает на то, что их источники равномерно распределены по Вселенной.
Это открытие побудило ученых PRL провести исследование, чтобы выяснить происхождение этих волн, которые могут быть результатом фазовых переходов первого порядка (FOPTs) в ранней Вселенной.
Phys.org побеседовал с соавторами исследования профессором Юньчэном Ву, профессором Чи-Тингом Лу, профессором Питером Атроном и профессором Лэем У из Нанкинского нормального университета, чтобы узнать больше об их работе.
«Наше изучение ранней Вселенной ограничено периодом после образования реликтового излучения. [космический микроволновый фон]. Хотя у нас есть некоторые косвенные намеки на то, что было до реликтового излучения, гравитационные волны на данный момент являются единственным методом изучения самой ранней Вселенной», — говорит Юньчэн.
Профессор Лей добавил: «В последние несколько лет переохлажденный FOPT широко рассматривался в качестве возможного источника SGWB».
«Новый сигнал, наблюдаемый OTA, может быть доказательством этого — очень интересная возможность», — сказал профессор Атрон.
Профессор Чи-Тинг говорит, что хотел понять связь между полем Хиггса и бозоном Хиггса и его отношение к механизму нарушения электрослабой симметрии. «Связь сигналов гравитационных волн разных частот с космическими фазовыми переходами открыла для меня еще одно окно для изучения этого вопроса», — сказал он.
Фазовые переходы первого рода
FOPT — это фазовые переходы, при которых система переходит из одной фазы в другую резко или скачкообразно. Один из таких примеров, который мы видим в повседневной жизни, — это замерзание воды.
«Вода может оставаться в жидком состоянии, даже если температура ниже нуля. Затем при небольшом возмущении [изменении] она внезапно превращается в лед. Ключевым признаком является то, что система остается в фазе ниже температуры перехода в течение длительного времени», — пояснил профессор Юньчэн.
Электрослабое взаимодействие — это единое описание двух из четырех фундаментальных сил природы: электромагнитного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия.
«Мы знаем, что в нашей Вселенной одно радикальное изменение — нарушение электрослабой симметрии, которая предсказывает все слабые ядерные взаимодействия, — порождает массы всех фундаментальных частиц, которые мы наблюдаем сегодня», — говорит профессор Атрон.
Это привело к разделению электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое с помощью поля Хиггса (которое придает всем частицам массу). Процесс, в результате которого это происходит, представляет собой сильный электрослабый фазовый переход первого рода.
Переохлажденный FOPT — это такой, в котором падение температуры во время фазового перехода происходит резко. Исследователи хотели понять, может ли такой FOPT быть источником SGWB, наблюдаемого коллаборацией NANOGrav.
Потенциальный механизм генерации SGWB
Идея теории заключается в том, что ранняя Вселенная находилась в высокотемпературном состоянии, известном как состояние ложного вакуума, что означает, что ее энергия не является минимально возможной.
По мере расширения и охлаждения Вселенной потенциальная энергия уменьшается. Ниже критической температуры состояние ложного вакуума становится неустойчивым.
При этой температуре квантовые флуктуации (случайные движения) могут инициировать образование состояний истинного вакуума, которые являются состояниями с наименьшей энергией. Это происходит в процессе нуклеации (образования) пузырьков.
Пузырьки представляют собой области, в которых произошел переход от ложного вакуума к истинному.
Зародившись, эти пузырьки истинного вакуума растут и расширяются. Они могут сталкиваться и сливаться, в итоге просачиваясь в пространство. Под перколяцией понимается образование связанной сети областей истинного вакуума.
Фазовый переход завершается, когда достаточная часть Вселенной переходит в состояние истинного вакуума. Для такого завершения обычно требуется, чтобы пузыри распространились на значительную часть Вселенной.
В ходе этого процесса столкновения и динамика расширяющихся пузырьков приводят к появлению SGWB, которые наблюдались коллаборацией NANOGrav.
Изменения в потенциале Хиггса
Работа исследователей началась с построения теоретической модели для изучения переохлажденных FOPT и возможности генерации SGWB.
Профессор Лей пояснил: «В случае переохлажденных FOPT модели могут предсказать условия, при которых могут происходить такие переходы, включая температуру, при которой происходит фазовый переход, и характеристики процесса перехода».
Исследователи начали с изменения потенциала Хиггса, который объясняет, как поле Хиггса взаимодействует с самим собой и с другими фундаментальными частицами.
Они добавили кубический член, чтобы облегчить динамику переохлажденного FOPT в ранней Вселенной.
Здесь они определяют четыре ключевых параметра для изучения проблем согласования нано-Гц (нГц) сигнала (обнаруженного коллаборацией NANOGrav) с этим кубическим потенциалом:
- Температура перколяции — это температура, при которой пузырьки истинного вакуумного состояния зарождаются и растут настолько, что образуют связную сеть по всей Вселенной.
- Температура окончания — это температура, при которой фазовый переход полностью завершается и вся Вселенная переходит в состояние истинного вакуума.
- Эталон 1 представляет собой сценарий со значительной степенью переохлаждения, который одновременно удовлетворяет критериям перколяции и прекращения.
- Эталон 2 представляет собой сценарий, в котором было достигнуто более сильное переохлаждение с номинальной температурой перколяции около 100 МэВ, но оно не удовлетворяет реалистичным критериям перколяции и не завершает переход.
Эти два температурных показателя необходимы для понимания динамики и времени фазового перехода. Они гарантируют, что переход является всеобъемлющим и полным, что необходимо для генерации сигнала гравитационной волны.
С другой стороны, контрольные точки показывают, с какими трудностями сталкивается переохлажденный FOPT при генерации SGWB.
Ограничения модели
Исследователи выявили две основные проблемы, которые исключают модель переохлажденного FOPT в качестве объяснения нГц-сигнала, обнаруженного коллаборацией NANOGrav.
Первая задача — перколяция и завершение переохлажденного ФОПТ. Когда температура Вселенной опускается ниже критического значения, фазовый переход не происходит.
Это связано с тем, что энергия, необходимая для зарождения и роста пузырьков новой фазы (истинного вакуума), мала.
«Образуется всего несколько пузырьков, и они не растут достаточно быстро, чтобы заполнить Вселенную», — объясняет профессор Атрон.
Поэтому окончание фазового перехода, когда вся Вселенная переходит в новую фазу, становится менее вероятным.
Вторая проблема — разогрев. Даже если мы рассмотрим сценарий, в котором завершение каким-то образом достигается, энергия, высвобождающаяся во время фазового перехода, выделяет тепло во Вселенную. Этот процесс повышает температуру Вселенной, что известно как повторный нагрев.
«Это затрудняет поддержание условий, необходимых для производства SGWB», — добавил профессор Лей.
Гравитационные волны, возникающие в этом сценарии, не будут иметь ту же частоту, что и наблюдаемые ОТА, обычно в наногерцовом диапазоне.
Заключение и дальнейшая работа
Переохлажденный FOPT в качестве объяснения SGWB может помочь обойти ограничения на модификации стандартной модели и связать сигнал nHz с новой физикой более высокого масштаба, например, связанной с электрослабым фазовым переходом и другими явлениями.
Однако исследователи показали, что проблемы указывают на то, что переохлажденный FOPT не может быть источником наблюдаемого SGWB.
Исследователи планируют изучить другие FOPT, которые могли бы объяснить наблюдаемый сигнал.
«Если неизвестный темный сектор способен генерировать хиральные фазовые переходы, подобные тем, что происходят в квантовой хромодинамике, и тем самым дополнительно генерировать гравитационные волны с частотой ngerz, он может естественным образом объяснить такие низкочастотные сигналы гравитационных волн», — пояснил профессор Чи-Тинг.
Профессор Юньчэн добавил: «Фазовый переход с переохлаждением может вызвать образование первичных черных дыр, которые могут быть частью компонента темной материи нашей Вселенной. Сильный процесс переохлаждения в FOPT и гораздо более высокая энергия, выделяемая во время процедуры, также могут стать средой для производства частиц, что гораздо важнее, если мы рассматриваем производство темной материи».
Профессор Лей также упомянул об изучении более широких космологических последствий, таких как сверхмассивные двойные черные дыры.
Исследователи также планируют выпустить программное обеспечение и расчеты, разработанные ими в ходе этой работы.
«Мы планируем выпустить общедоступное программное обеспечение с полными расчетами от моделей физики элементарных частиц до спектров гравитационных волн, которые будут полностью соответствовать современному уровню и будут настолько точными, насколько это возможно сегодня, чтобы другие команды могли легко применять тот же уровень строгости, что и мы», — заключил профессор Атрон.
Поделитесь в вашей соцсети👇
