Главная Новости Астрономы говорят, что нашли доказательства существования космических струн

Теоретически вибрирующие петли создают сигнал гравитационных волн

Космологи считают, что в первое мгновение все силы природы были объединены. Но по мере расширения и охлаждения Вселенной эта сверхсила разделилась на отдельные составляющие: гравитацию, электромагнетизм, сильные и слабые силы.

Согласно некоторым расчетам, космос остывал столь быстро, что ткань пространства-времени разорвалась, создав сеть трещин, заполненных чистой энергией, которые протянулись сквозь необъятную Вселенную.

Так начинается история происхождения космических струн.

Предсказанные в 1970-х годах, космические струны долгое время оставались недоступными для экспериментов. Однако теперь некоторые физики полагают, что им удалось обнаружить первые доказательства существования гигантских одномерных структур.

"Моя интуиция подсказывает, что первые признаки выглядят очень многообещающе", - говорит Кай Шмитц, физик-теоретик из европейской лаборатории ЦЕРН.

Однако он отметил, что предстоит пройти долгий путь, прежде чем кто-то сможет заявить об открытии.

"Если мы обнаружим космические струны, это будет результат века", - уверен Юджин Лим, который исследует космологию ранней Вселенной в Королевском колледже Лондона. Но, цитируя Карла Сагана, "экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств", а сейчас доказательств немного".

Что такое гравитационные волны? Ученые раскрыли новые данные

Новые данные, которые свидетельствовуют о наличии космических струн, получены от NANOGrav, группы астрономов, внимательно следящих за десятками пульсаров.

Система пульсаров, расположенная в 3000 световых годах от земли

Эти звезды излучают радиоволны со своих полюсов, так что с Земли мы видим регулярные вспышки каждый раз, когда лучи проносятся мимо нашей линии видимости, подобно вспышкам маяка.

На самом деле, вспышки пульсаров кажутся настолько неестественно регулярными, что первый открытый пульсар был назван LGM-1, что означает "маленькие зеленые человечки".

Пульсары - самые точные космические хронометры. Поэтому, когда их всплески искажаются, физики понимают - что-то не так.

В частности, исследователи ищут искажения, вызванные гравитационными волнами - пульсациями в пространстве-времени, которые, проходя через подобные звезды, изменяют течение времени.

Впрочем, гравитационные волны могут возникать в результате дрожания космических струн, столкновений сверхмассивных черных дыр или других бурных космических процессов.

 

Последний анализ NANOGrav, опубликованный 9 сентября, объединяет более 12 лет наблюдений за десятками пульсаров с радиотелескопов, расположенных по всей Северной Америке.

Работа все еще находится на рецензировании, однако есть намеки, что «что-то» искажает всплески, испускаемые всеми пульсарами, одинаково и с частотами, которые ожидаются от гравитационных волн. Остается вероятность того, что мы имеем дело с каким-то неизвестным, общим источником шума.

Теоретики уже начали строить догадки о природе сигнала NANOGrav, несмотря на то, что он не имеет дымовой характеристики, которая бы доказала, что это гравитационные волны.

Потребуется больше данных о пульсарах, прежде чем ученые смогут сказать, есть ли у них необходимый астрофизикам признак.

"Мы не можем сказать наверняка, шум это или сигнал гравитационной волны", - поясняет Альберто Сезана, бывший председатель Международного массива синхронизации пульсаров, консорциума проектов, включающего NANOGrav.

Физики и теория струн

Статья NANOGrav вызвала особенно бурную реакцию среди физиков, которые работают над теориями струн.

Это называется погоней за скорой помощью... все пытаются выпустить первую статью", - иронизирует Шмитц, обсудивший новость со своим коллегой Симоне Блази.

RCW 86: остаток сверхновой

Через несколько дней они опубликовали статью, написанную в соавторстве с Ведраном Брдаром, где утверждалось, что полученные данные можно интерпретировать как порождение космических струн, если они действительно существуют и возникли, когда во Вселенной была определенная сверхвысокая температура.

По словам Шмитца, температура "всегда будет напоминать о себе" физикам, поскольку именно при ней, как считается, произошло объединение сильных, слабых и электромагнитных сил.

После Большого взрыва единая суперсила разделилась на привычные нам силы природы, пройдя через серию фазовых переходов, подобно тому, как жидкая вода замерзает в лед.

 

Этот бессистемный процесс мог создать космические струны в виде трещин в пространстве-времени, подобных тем трещинам, которые наблюдаются внутри кубиков льда.

Вселенная расширялась, космические струны росли вместе с ней. Но время от времени они складывались сами по себе и сталкивались с другими струнами, в результате чего петли разрывались в виде всплесков энергии. Именно они «мерцают» в течение миллиардов лет, постепенно теряя энергию, поскольку излучают гравитационные волны.

"Очень похоже на то, как если бы вы возбуждали струну скрипки", - утверждает Шмитц.

Теоретически вибрирующие петли создают сигнал гравитационных волн, который наблюдает NANOGrav.

Уточним, что такой сигнал не заметен для LIGO, гравитационно-волновой обсерватории, которая наблюдает за столкновениями черных дыр и нейтронных звезд.

 

Если это так, тогда получается, что физики открыли дверь для первобытных фазовых переходов.

Другая, более спекулятивная возможность заключается в том, что космические струны могут произойти от крошечных вибрирующих объектов, предлагаемых теорией струн. Некоторые модели предполагают, что они могли вырасти до колоссальных размеров во время первоначального быстрого расширения.

Различия в натяжении и в том, как разрываются струнные петли, могли бы создать уникальную гравитационно-волновую сигнатуру, отличную их от других видов.

В то же время Джон Эллис, физик частиц из Королевского колледжа, сомневается, что новые данные являются доказательством теории струн.

"Если позволите выражение, я думаю, что это было бы очень большой натяжкой".

Сигнал NANOGrav может исходить от сверхмассивных черных дыр

В качестве альтернативы: гравитационно-волновой сигнал NANOGrav может исходить от сверхмассивных черных дыр.

Почти каждая крупная галактика, включая Млечный Путь, имеет в своем центре сверхмассивную черную дыру, которая весит в миллионы или миллиарды раз больше Солнца. Если две галактики сливаются, их черные дыры начинают вращаться друг вокруг друга, создавая гравитационные волны по спирали.

Сверхмассивные слияния черных дыр никогда не наблюдались.

"Нас смущает то, что мы понятия не имеем, сливаются ли они. Зияющая дыра в наших знаниях", - говорит Дженни Грин, астроном из Принстонского университета.

"Пройдет ли миллиард лет, или для их слияния потребуется время, близкое к возрасту Вселенной?".

В статье, опубликованной 16 сентября, Эллис и его коллеги указывают, что форма сигнала NANOGrav больше похожа на то, что ожидается от космических струн, нежели от сверхмассивных черных дыр.

"Данные, похоже, предпочитают интерпретацию космических струн, но не в значительной степени", - говорит Эллис.

Другие исследователи также осторожничают.

"Лично для меня правильнее всего было бы сесть и подождать новых данных. Но, знаете, мы все нетерпеливы", - говорит Лим.

Наряду с NANOGrav, Европейская система синхронизации пульсаров и система синхронизации пульсаров Паркса в Австралии в свое время обнародовали собственные данные.

Новый 500-метровый телескоп FAST в Китае и массив телескопов MeerKAT в Южной Африке объединяют усилия в международной работе по поиску гравитационных волн с помощью пульсаров, утверждает Сезана.

"Мы все вместе работаем над сбором и анализом данных, чтобы укрепить уверенность в том, что они есть".