У 2023 році астрофізики виявили коливання простору-часу, що поставило їх у глухий кут. Вчені все ще прагнуть знайти джерело постійного, хоч і слабкого, “гулу” гравітаційних хвиль, які були виявлені минулого року в Чумацькому шляху. Нові дослідження показують, що ці хвилі можуть мати кілька джерел.
Дослідницька група North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) припускає, що коливання простору-часу могли виникнути в результаті злиття надмасивних чорних дір, кожна з яких у мільярд разів масивніша за Сонце. Якщо ця гіпотеза вірна, то подальші дослідження допоможуть визначити місце розташування та масу цих гігантських космічних об’єктів.
Проте, Хуан Уррутіа з Національного інституту фізичної хімії та біофізики в Естонії зазначає, що наявність лише однієї пари чорних дір не виключає космологічного походження сигналів. Його дослідження показало, що крім гіпотези про чорну діру, ще троє запропонованих космологічних джерел можуть пояснити ці дані. Це означає, що гравітаційний сигнал може бути наслідком змішаного набору різних джерел.
Вчені відзначають, що це серйозна проблема, оскільки багато сигналів схожі один на одного. Екзотичні космологічні процеси, що відбуваються в ранньому Всесвіті, включають такі джерела, як космічні струни, фазові переходи та межі доменів – високоенергетичні явища. Всі вони можуть виявитися одним із джерел сигналів гравітаційних хвиль.
Особливо цікаво, що межі доменів виникли відразу після Великого Вибуху, але до поширення випромінювання по всьому Всесвіту. Тому, якщо нові результати і підтвердять гіпотезу про межі доменів, то виявлений сигнал буде найближчим до початку Всесвіту.
Крім того, дослідження фазових переходів можуть також допомогти у пошуку темної матерії та темної енергії, які становлять 95% Всесвіту, але залишаються невидимими. Гравітаційні хвилі, створювані поведінкою меж доменів, можуть містити велику кількість енергії і призводити до формування скупчень темної матерії.
Коли межі доменів рухаються та еволюціонують, вони містять велику кількість енергії та випускають гравітаційні хвилі. Якоїсь миті вони розпадаються, з чого утворюються скупчення темної матерії, — сказав Уррутіа.
Це особливо цікаво, оскільки ці складні структури, які були запропоновані понад 50 років тому, можуть бути поясненням того, чому в нашому Всесвіті є більше баріонної матерії, ніж антиматерії. На відміну від баріонної матерії, що складається з позитивних протонів та негативних електронів, антиматерія складається з негативних протонів та позитивних електронів.
Оскільки в результаті Великого Вибуху мала з’явитися рівна кількість антиматерії та баріонної матерії, наш Всесвіт, теоретично, повинен складатися з рівних кількостей обох. Насправді баріонна матерія повністю переважає.
З іншого боку, фазові переходи надають вченим можливість вивчити різні фази розвитку раннього Всесвіту, які створили відомі баріонні електрони, протони і нейтрони. Як у випадку з кипінням води, космічні фазові переходи були викликані змінами в температурі Всесвіту, де «бульбашки» взаємодіяли один з одним, створюючи гравітаційні хвилі, подібні до тих, які були нещодавно виявлені.
Виявлення та ідентифікація сигналів гравітаційних хвиль є складним завданням астрофізиків, особливо при обмежених можливостях існуючих телескопів. На цей час Лазерний інтерферометр гравітаційних хвиль LIGO здатний виявляти лише високочастотні хвилі.
Проте вчені вже готуються до запуску Лазерного інтерферометричного космічного антенного комплексу LISA — трисупутникової мережі, який буде здатний виявляти більш низькочастотні хвилі, подібні до тих, які були нещодавно виявлені. Планується, що LISA буде запущений у 2037 році і його точність вимірювань буде настільки високою, що він зможе реєструвати зміни розміром менше діаметра ядра гелію на відстані мільйона миль.
Крім того, запропонований у 2020 році експеримент з вивчення темної матерії та гравітації AEDGE зможе допомогти у пошуку гравітаційних хвиль у частотних діапазонах між тими, що будуть «чутними» LISA та LIGO.
Однак для досягнення обіцяної точності майбутніх детекторів необхідно мати конкретні передбачення та посібники для астрофізиків про те, на що слід звертати увагу і як інтерпретувати отримані дані, зазначає Уррутіа: «Наукова спільнота докладає величезних зусиль, щоб забезпечити максимально точні обчислення та керівництва перед запуском цих нових експериментів».
