Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων μεγέθους γαλαξία υποδεικνύει την εξωτική φυσική

Το ύφασμα του χωροχρόνου μπορεί να αφρίζει με γιγάντια βαρυτικά κύματα, και η πιθανότητα έχει φέρει τους φυσικούς σε αδιέξοδο. Ένα δυνητικό σήμα που παρατηρείται στο φως από νεκρούς αστρικούς πυρήνες, γνωστά ως πάλσαρ, έχει οδηγήσει σε μια σειρά θεωρητικών εγγράφων που εικάζουν για εξωτικές εξηγήσεις.

Η πιο συνηθισμένη, αλλά ακόμα αρκετά εντυπωσιακή, πιθανότητα είναι ότι οι ερευνητές που εργάζονται με το Βορειοαμερικανικό Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Nanohertz (NANOGrav), το οποίο χρησιμοποιεί τον γαλαξία ως κολοσσιαίο ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων, είδαν επιτέλους μια πολυπόθητη υπογραφή φόντου που παράγεται όταν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες συντρίβονται και συγχωνεύονται σε όλο το σύμπαν. Μια άλλη ερμηνεία θα έλεγε ότι προέρχεται από ένα δονούμενο δίκτυο κοσμικών χορδών υψηλής ενέργειας που θα μπορούσε να παρέχει στους επιστήμονες εξαιρετικά λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τα θεμελιώδη συστατικά της φυσικής πραγματικότητας. Μια τρίτη πιθανότητα υποθέτει ότι η συνεργασία εντόπισε τη δημιουργία αμέτρητων μικρών μαύρων τρυπών στην αυγή του χρόνου, οι οποίες θα μπορούσαν από μόνες τους να ευθύνονται για τη μυστηριώδη ουσία που είναι γνωστή ως σκοτεινή ύλη.

«Οι άνθρωποι κάνουν προβλέψεις για τις κοσμικές χορδές και τις αρχέγονες μαύρες τρύπες εδώ και χρόνια, και τώρα, επιτέλους, έχουμε ένα σήμα», λέει η Chiara Mingarelli, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ και μέλος της ομάδας NANOGrav. "Δεν είμαστε σίγουροι τι παράγει αυτό το σήμα, αλλά πολλοί άνθρωποι είναι πραγματικά, πραγματικά ενθουσιασμένοι."

Η κοινότητα της φυσικής έχει μάθει πολλά για το σύμπαν από τεράστια πειράματα επίγειων βαρυτικών κυμάτων, όπως το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO) και το αντίστοιχο ευρωπαϊκό του Virgo. Αλλά όπως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έρχονται σε ένα φάσμα που κυμαίνεται από συμπιεσμένες ακτίνες γάμμα έως μεγάλα ραδιοκύματα, τα βαρυτικά κύματα διατρέχουν τη γκάμα από τις μικροσκοπικές δονήσεις στο χωροχρόνο που προκαλούνται όταν οι μαύρες τρύπες μεγέθους ήλιου συγχωνεύονται με εκείνες με μήκη κύματος μετρήσιμα σε έτη φωτός που μπορούν χρειάζονται δεκαετίες για να περάσουν από τον πλανήτη μας. Οι συλλογικές, επικαλυπτόμενες κακοφωνίες από αυτά τα μεγαλύτερα κύματα, που πιστεύεται ότι παράγονται όταν συγκρούονται μεγαθήρια μαύρες τρύπες που κρύβονται στα κέντρα των γαλαξιών, είναι αυτό που η συνεργασία NANOGrav εργάζεται για να συλλάβει.

Το κάνει εστιάζοντας σε αντικείμενα γνωστά ως πάλσαρ χιλιοστών του δευτερολέπτου, τα οποία προκύπτουν όταν τεράστια αστέρια εκρήγνυνται ως σουπερνόβα και αφήνουν πίσω τις καρδιές τους που περιστρέφονται γρήγορα. Το ισχυρό μαγνητικό πεδίο ενός πάλσαρ μπορεί να δημιουργήσει μια δέσμη ακτινοβολίας που ταλαντεύεται γύρω, σαρώνοντας επανειλημμένα τη Γη με μια κανονικότητα που συναγωνίζεται την ακρίβεια των ατομικών ρολογιών. Εάν μια παραμόρφωση στον ιστό του χωροχρόνου έρθει μεταξύ του πλανήτη μας και ενός πάλσαρ, μπορεί να προκαλέσει αυτό το σήμα να φτάσει λίγο νωρίτερα ή αργότερα από το αναμενόμενο. Αν ένα τηλεσκόπιο έβλεπε μια τέτοια μετατόπιση, μάλλον δεν θα σήμαινε πολλά. Ωστόσο, το NANOGrav παρακολουθεί το φως από 45 πάλσαρ που είναι διάσπαρτα σε χιλιάδες έτη φωτός για περισσότερα από 12,5 χρόνια, αναζητώντας συσχετισμούς μεταξύ των χρόνων άφιξής τους που θα μπορούσαν να υποδεικνύουν την παρουσία βαρυτικών κυμάτων.

Τον περασμένο Σεπτέμβριο, η συνεργασία δημοσίευσε μια εργασία στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv.org, ο οποίος φιλοξενεί επιστημονικά άρθρα που δεν έχουν ακόμη υποβληθεί σε αξιολόγηση από ομοτίμους, δείχνοντας ότι τα παρακολουθούμενα πάλσαρ της εμφάνιζαν όλα παρόμοια blips. (Η εργασία έχει έκτοτε αξιολογηθεί από ομοτίμους και δημοσιεύτηκε.) Οι πιθανότητες να συμβεί αυτό είναι μεταξύ 1.000 και 10.000 έως μία, λέει ο Mingarelli. Ως ομάδα, το NANOGrav είναι προσεκτικό και απέφυγε να ισχυριστεί ότι έχει δει ένα σήμα βαρυτικού κύματος, το οποίο απαιτεί την παρατήρηση πολύ συγκεκριμένων συσχετισμών μεταξύ των χρόνων άφιξης των σημάτων πάλσαρ. Αυτό δεν εμπόδισε άλλους επιστήμονες να χρησιμοποιήσουν τα δεδομένα.

Ο Marek Lewicki, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας στην Πολωνία, θυμάται ότι η μελέτη NANOGrav εμφανίστηκε νωρίς το πρωί της Παρασκευής και ότι στις 10 π.μ., ο συνεργάτης του John Ellis από το King's College του Λονδίνου την είχε εντοπίσει. Αν και η συνήθης εξήγηση για ένα τέτοιο σήμα είναι το υπερμεγέθη υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων της μαύρης τρύπας, ο Lewicki ήξερε ότι ένας άλλος πιθανός ένοχος ήταν οι κοσμικές χορδές και άρχισε να τρέχει μοντέλα για να δει αν αυτή η επιλογή θα μπορούσε να εξηγήσει τα δεδομένα. "Μέχρι το Σάββατο, ήταν αρκετά ξεκάθαρο ότι ταίριαζε καλά", λέει.

Στους ερευνητές αρέσουν οι κοσμικές χορδές επειδή συνδέουν άμεσα τα κοσμολογικά γεγονότα με τη σωματιδιακή φυσική υψηλής ενέργειας. Λίγο μετά τη μεγάλη έκρηξη, τρεις από τις τέσσερις γνωστές δυνάμεις - ο ηλεκτρομαγνητισμός και οι ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις - θα είχαν συντριβεί σε μια υπερδύναμη. Όταν η ισχυρή πυρηνική δύναμη διασπάστηκε, το σύμπαν θα είχε περάσει από αυτό που είναι γνωστό ως αλλαγή φάσης, σαν το νερό να παγώνει σε πάγο. Και όπως μια παγωμένη λίμνη συχνά περιέχει μεγάλες ρωγμές που δημιουργούνται όταν ο όγκος της στερεοποιείται, ο ορατός κόσμος θα διασκορπιζόταν με τεράστιους σχεδόν μονοδιάστατους σωλήνες ενέργειας που διασχίζουν το μήκος του. Τέτοια αντικείμενα θα ήταν τεντωμένα σαν χορδές πιάνου και θα μπορούσαν να δονούν τα βαρυτικά κύματα που θα έμοιαζαν με το σήμα που είχε πάρει ο NANOGrav.

Επειδή αυτές οι κοσμικές χορδές προήλθαν κοντά στην αρχή του χρόνου, θα μεταφέρουν πληροφορίες σχετικά με διαδικασίες όπως ο κοσμικός πληθωρισμός, κατά τον οποίο το σύμπαν πιστεύεται ότι έχει εκτοξευθεί γρήγορα από συναρπαστικούς παράγοντες, καθώς και τη δημιουργία διαφορετικών σωματιδίων σε διαφορετικές ακραίες θερμοκρασίες , λέει ο Kai Schmitz, ένας θεωρητικός φυσικός στο CERN κοντά στη Γενεύη. Πληροφορίες από τέτοιες συνθήκες, που θα ήταν αδύνατο να δημιουργηθούν σε επιταχυντές σωματιδίων όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να δημιουργήσουν μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία που συνδέει τα περισσότερα γνωστά σωματίδια και δυνάμεις που θα αντικαθιστούσαν το τρέχον Καθιερωμένο Μοντέλο. Μαζί με δύο συνεργάτες, ο Schmitz δημοσίευσε μια εργασία στο Physical Review Letters (PRL ) περιγράφοντας πώς οι κοσμικές χορδές θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν τα δεδομένα NANOGrav στις 28 Ιανουαρίου, την ίδια μέρα που εμφανίστηκε ένα παρόμοιο άρθρο των Lewicki και Ellis.

«Αν ανιχνεύαμε κοσμικές χορδές, θα ήταν η ανίχνευση της ζωής μου», λέει ο Eugene Lim, κοσμολόγος επίσης στο King’s College του Λονδίνου. "Θα ήταν πιο σημαντικό από το μποζόνιο Higgs, πιθανώς περισσότερο από τα ίδια τα βαρυτικά κύματα."

Για το λόγο αυτό, ο Lim, ο οποίος δεν ήταν συν-συγγραφέας σε κανένα από τα δύο χαρτιά, τονίζει ότι τέτοιες έννοιες πρέπει να εξετάζονται με άφθονη αυτοσυγκράτηση. Η συνεργασία του NANOGrav πρέπει ακόμα να επιβεβαιώσει ότι στην πραγματικότητα βλέπει βαρυτικά κύματα. Και το σχήμα του φάσματος αυτών των βαρυτικών κυμάτων δεν έχει ακόμη εντοπιστεί και βρεθεί ότι συμμορφώνεται με την ερμηνεία της κοσμικής χορδής, καθένα από τα οποία είναι πιθανό να διαρκέσει χρόνια, προσθέτει.

Εν τω μεταξύ, μια άλλη ομάδα της κοινότητας της φυσικής έχει προτείνει ότι το σήμα θα μπορούσε να προέρχεται από οντότητες γνωστές ως αρχέγονες μαύρες τρύπες. Σε αντίθεση με τις κανονικές μαύρες τρύπες, που γεννιούνται όταν πεθαίνουν γιγάντια αστέρια, αυτές θα σχηματίζονταν στο πρώιμο σύμπαν, όταν η ύλη και η ενέργεια ήταν ανομοιόμορφα διασκορπισμένες στο σύμπαν ως συνέπεια διεργασιών που συνέβησαν στο τέλος του πληθωρισμού. Ορισμένες υπερβολικά πυκνές περιοχές θα μπορούσαν να καταρρεύσουν υπό το βάρος τους, δημιουργώντας μαύρες τρύπες σε διάφορα μεγέθη. Οι παρατηρήσεις από το LIGO και το Virgo που θα μπορούσαν να υποδεικνύουν συγχωνεύσεις μεταξύ αρχέγονων μαύρων τρυπών έχουν ήδη φυτέψει την ιδέα στο μυαλό πολλών ερευνητών ότι αυτά τα παράξενα αντικείμενα είναι κάτι περισσότερο από εικασιακές φαντασίες. Ορισμένοι θεωρητικοί τους αρέσουν επειδή, ως οντότητες που δεν εκπέμπουν φως, θα μπορούσαν να εξηγήσουν μέρος ή ακόμα και όλη τη σκοτεινή ύλη στο σύμπαν.

«Αυτή είναι μια οικονομική εξήγηση», λέει ο Antonio Riotto, ένας κοσμολόγος αστροσωματιδίων στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, επειδή δεν απαιτούν τη θεωρία για εξωτικά μη ανιχνεύσιμα σωματίδια όπως τα WIMP ή τα άξιον, τα οποία μέχρι στιγμής έχουν κυριαρχήσει στις σκέψεις των φυσικών για τη σκοτεινή ύλη. /P>

Μαζί με δύο συν-συγγραφείς, ο Riotto έχει γράψει μια τρίτη εργασία που εμφανίζεται στο PRL δείχνοντας πώς το σήμα NANOGrav θα μπορούσε να οφείλεται σε ένα πλήθος μαύρων τρυπών στο μέγεθος των αστεροειδών που δημιουργήθηκαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δημιουργώντας ένα λείψανο βαρυτικού κύματος που θα μας ταξίδευε στη σύγχρονη εποχή. Σύμφωνα με το μοντέλο των ερευνητών, αυτές οι μικροσκοπικές αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να αποτελούν έως και το 100 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν.

Ωστόσο, αυτή η πιθανότητα, επίσης, πρέπει να προσεγγιστεί προσεκτικά, λέει ο Juan García-Bellido, θεωρητικός φυσικός στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης στην Ισπανία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. Ενώ τα δεδομένα NANOGrav περιέχουν υποδείξεις, δεν δείχνουν ακριβώς το συγκεκριμένο συσχετισμένο μοτίβο που θα έδειχνε βαρυτικά κύματα, και πολλές από τις εικασίες φαίνονται πρόωρες γι' αυτόν. «Είμαι ο πρώτος που ελπίζω για αρχέγονες μαύρες τρύπες», λέει. "Αλλά φοβάμαι ότι δεν είναι ακόμα εκεί."

Ωστόσο, η έκρηξη της θεωρητικής δραστηριότητας δείχνει πόσο σοβαρά αντιμετωπίζουν οι φυσικοί αυτά τα αποτελέσματα. Οι ερευνητές του NANOGrav έχουν άλλα δυόμισι χρόνια δεδομένων πάλσαρ που εξετάζουν, τα οποία θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη διάκριση εάν ορισμένες ή ένας συνδυασμός όλων αυτών των εξηγήσεων μπορεί να είναι βιώσιμες. Συνεργάζονται επίσης με διεθνείς συνεργάτες όπως η European Pulsar Timing Array (EPTA) και η Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) στην Αυστραλία, καθένας από τους οποίους έχει παρατηρήσεις άλλων πάλσαρ που θα μπορούσαν να τους φέρουν πιο κοντά στον εντοπισμό των απαραίτητων συσχετισμών για να εντοπίσουν τελικά το υπόβαθρο των κυμάτων βαρύτητας—μια διαδικασία που θα πρέπει να έχει ξεκινήσει πριν από το τέλος αυτού του έτους.

"Θα ήμουν σοκαρισμένος αν δεν βλέπαμε ένα σήμα όταν συνδυάζαμε όλα τα δεδομένα μας", λέει ο Mingarelli.