Temná hmota nebo chladící „prapolévka“ by mohla vytvářet gravitační vlny

Jen před pár měsíci vědci ohlásili detekci velmi nízkofrekvenčních gravitačních vln. Nyní dvojice německých astrofyziků zkoumala dva zajímavé možné zdroje – ochlazování vesmíru po velkém třesku a pole částic, které by mohly být temnou hmotou.

Poprvé objevené v roce 2015, sto let poté, co Einstein předpověděl jejich existenci, jsou gravitační vlny vlněním, které prochází strukturou samotného časoprostoru. Obvykle jsou vydávány kosmickými kataklyzmaty, jako jsou srážky mezi černými dírami a/nebo neutronovými hvězdami.

Tyto události vytvářejí signály, které jsou krátké a ostré, zaplavují Zemi během několika sekund nebo dokonce rychleji. Ale také se předpovídalo, že by mělo existovat stálé pozadí jemných vln s obrovskými vlnovými délkami, kterým by mohlo trvat déle než rok, než nás minuly. Ty je mnohem těžší zachytit a vyžadují mnohem větší detektory, než jaké lze postavit zde na Zemi.

Ale v lednu spolupráce NANOGrav oznámila první detekci těchto vln s velmi nízkou frekvencí asi 10^-8 Hz. Ty byly zachyceny pozorováním řady jasných pulsarů napříč galaxií po dobu více než deseti let a sledováním toho, jak se jejich světlo natahuje nebo stlačuje v různých intervalech, když sleduje odliv a tok gravitačních vln pozadí.

NANOGrav/T. Klein

V této nové studii vědci z Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) zkoumali, co mohlo způsobit tyto vlnky. Zjistili, že signál je v souladu se dvěma scénáři, které leží mimo standardní model fyziky: fázový přechod v raném vesmíru a pole částic podobných axionům (ALP), které mohou představovat temnou hmotu.

„Přestože nám data zatím poskytují pouze první náznak existence nízkofrekvenčních gravitačních vln, je pro nás stále velmi vzrušující s nimi pracovat,“ říká Wolfram Ratzinger, spoluautor studie. je to proto, že takové vlny mohly být produkovány různými procesy, k nimž došlo v raném vesmíru. Nyní můžeme použít data, která již máme, abychom se rozhodli, která z nich přijdou v úvahu a která se s daty vůbec nehodí.“

První scénář nás zavede zpět téměř na úsvit vesmíru. Po Velkém třesku byl vesmír naplněn kvark-gluonovým plazmatem – hustou „prvotní polévkou“ elementárních částic – která se pomalu ochlazovala na druhy hmoty, které vidíme dnes. Předpokládá se, že tento fázový přechod způsobil masivní turbulence, které by mohly být detekovatelné jako nízkofrekvenční gravitační vlny.

Je zajímavé, že tyto signály by vědcům umožnily nahlédnout za dříve nepřístupnou oponu raného vesmíru. Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je pole záření, které prostupuje vesmír, často popisované jako dosvit velkého třesku. Toto pole však zakrývá nejranější dny vesmíru z pohledu dalekohledů, což znamená, že nejvzdálenější část zpět, kterou můžeme vidět, je asi 300 000 let po velkém třesku. Tyto gravitační vlny mohly přenášet informace z dřívějška.

Druhý scénář je, že nízkofrekvenční gravitační vlny byly produkovány „polem temné hmoty“. Axiony jsou hypotetické elementární částice, o kterých se předpokládá, že pokud existují, plují kolem vesmíru ve vlnách a zřídka interagují s normální hmotou. Jako takoví byli navrženi jako kandidáti na temnou hmotu.

Tým na nové studii naznačuje, že pole částic podobných axionům by mohlo být zodpovědné za signály gravitačních vln. Tyto ALP by přenesly energii na další hypotetickou částici zvanou temný foton, který by byl nosičem síly podobným známému elektromagnetickému fotonu. Tento přenos energie by zesílil kvantové fluktuace v temném fotonovém poli, říká tým, které by mohly přerůst do druhu gravitačního vlnového pozadí, které bylo detekováno.

Výzkumníci říkají, že z těchto dvou scénářů je pravděpodobnějším kandidátem fázový přechod. Poukazují však také na to, že závěr původního týmu – že vlnky představují šum pozadí kolizí mezi supermasivními černými dírami – je stále tím nejhezčím vysvětlením. V každém případě by další vyšetřování mohlo potenciálně pomoci odhalit tajemství mimo standardní model.

„Naše práce je prvním, ale důležitým vývojem – dává nám hodně důvěry, že s přesnějšími údaji můžeme vyvodit spolehlivé závěry o zprávě, kterou nám gravitační vlny posílají z raného vesmíru,“ říkají vědci.

Studie byla publikována v časopise SciPost Physics.

Zdroj: Johannes Gutenberg University Mainz