În 2023, fizicienii au fost uimiți să găsească ondulații aproape imperceptibile în țesătura spațiului și timpului – uniți ca o entitate cunoscută sub numele de spațiu-timp. Acestea au fost ondulații descoperite în asociere cu colecții de stele neutronice care se rotesc rapid numite „matrice de sincronizare a pulsarilor”.
Acest zumzet de fundal de joasă frecvență al undelor gravitaționale în universul nostru a fost inițial atribuită unei schimbări sau unei „tranziții de fază”, care a avut loc la scurt timp după Big bang. Noile cercetări, totuși, pun la îndoială această presupunere.
„Teoreticienii și experienții au speculat undele gravitaționale nanoherți au provenit dintr-o tranziție cunoscută care a avut loc foarte curând după Big Bang – o schimbare care a generat mase ale tuturor particulelor fundamentale cunoscute“, Andrew Fowlie, profesor asistent la Universitatea Xi’an Jiaotong-Liverpool, a spus într-o declarație. „Cu toate acestea, munca noastră descoperă probleme serioase cu acea explicație, altfel atrăgătoare, a originii lor”.
Tranzițiile de fază sunt schimbări bruște ale proprietăților unei substanțe și apar de obicei atunci când o anumită substanță atinge o temperatură critică. Tranziția de fază poate cea mai familiară nouă este tranziția apei în gheață, pe măsură ce temperaturile scad sub zero. Există, de asemenea, ceea ce sunt cunoscute sub numele de tranziții „supercool”. În cazul apei, are loc o tranziție superrăcitoare când substanța se „blocă” în faza sa lichidă, încetinind transformarea acesteia în gheață.
Înrudit: Prima viață din univers s-ar fi putut forma la câteva secunde după Big Bang
Mulți oameni de știință cred că o „tranziție de fază de ordinul întâi” a avut loc chiar la începutul timpului, declanșând lansarea undelor gravitaționale sau ondulații în spațiu-timp. Aceste valuri, cred experții, ar putea fi, prin urmare, folosite pentru a determina condițiile prezente în timpul primei epoci de inflație rapidă în universul nostru, sau poate chiar condițiile prezente înainte de Big Bang.
Doar o fază?
Conceptul de unde gravitaționale datează din teoria gravitației a lui Albert Einstein din 1915 numită „relativitatea generală.” Teoria marelui fizician prezice că obiectele cu masă au un efect de deformare asupra structurii spațiu-timpului. Experiența noastră fizică a gravitației, spune teoria, decurge din această deformare.
Relativitatea generală merge și mai departe decât asta, sugerând, de asemenea, că atunci când obiectele accelerează, ele generează ondulații în spațiu-timp – alias, unde gravitaționale. Deși acest fenomen este neglijabil când vine vorba de accelerarea obiectelor la o scară pe care o vedem pe Pământ, efectul devine semnificativ atunci când accelerația implică obiecte cosmice masive, cum ar fi găurile negre supermasive și stele neutroni.
De exemplu, atunci când aceste obiecte există în sisteme binare – adică două dintre ele accelerează constant unul în jurul celuilalt – ele emit continuu unde gravitaționale până când în cele din urmă se ciocnesc și emit un „zârâit” ascuțit al acestor ondulații.
În plus, unde gravitaționale, cum ar fi radiatii electromagneticevin într-o gamă de frecvențe. Undele gravitaționale de înaltă frecvență, precum lumina de înaltă frecvență, au lungimi de undă mai scurte și sunt mai energice; undele gravitaționale de joasă frecvență au lungimi de undă mai mari și sunt mai puțin energice. Undele gravitaționale cu undă lungă de frecvență joasă au, de asemenea, „perioade” lungi, care se referă la timpul dintre un vârf al undei care trece de un punct stabilit și următorul vârf care trece de acel punct.
Undele gravitaționale detectate de către Observatorul Nord-American de Nanohertz pentru Unde Gravitaționale (NANOGrav) în iunie 2023 au o frecvență mai mică decât undele gravitaționale observate provenind de la fuziunea găurii negre supermasive și a stelelor neutronice detectate în mod obișnuit de Observatorul cu unde gravitaționale cu interferometru cu laser. (LIGO), FECIOARĂ și KAGRA.
Aceasta înseamnă că trebuie să existe o sursă diferită pentru aceste unde gravitaționale nanoherți de joasă frecvență. Primul suspect? O tranziție de fază imediat după Big Bang – una supercool, mai exact.
„Am descoperit că pentru a fi creat unde cu frecvențe atât de mici, tranziția ar trebui să fie super-mișto”, a explicat Fowlie.
Cu toate acestea, există o problemă. Astfel de faze de tranziție supercool cosmice ar fi puțin neașteptate în perioada de inflație cosmică rapidă (cu alte cuvinte, expansiunea universului) declanșată de Big Bang.
„Aceste tranziții lente s-ar lupta să se termine, deoarece rata de tranziție este mai lentă decât rata de expansiune cosmică a universului”, a spus Fowlie. „Dar dacă tranziția s-ar accelera la sfârșit? Am calculat că, chiar dacă acest lucru ar ajuta tranziția să se încheie, ar schimba frecvența undelor de la nanoherți”.
Cercetătorul a adăugat, de asemenea, că, deși undele gravitaționale nanoherți sunt reci, probabil că nu sunt „supercool” la origine.
„Dacă aceste unde gravitaționale provin din tranziții de fază de ordinul întâi, acum știm că trebuie să existe o fizică nouă, mult mai bogată – fizică despre care nu știm încă”, a spus Fowlie.
Fowlie și colegii lor cred că cercetările lor demonstrează că este nevoie de mai multă atenție pentru a înțelege tranzițiile de fază super-cool, în special cele care ar fi putut avea loc la începutul universului.
„Deoarece acestea sunt neapărat tranziții lente, simplificările obișnuite ale faptului că tranzițiile sunt finalizate sau nu nu vor funcționa”, a spus el. „Există o mulțime de subtilități în conexiunile dintre scara de energie a tranzițiilor și frecvența undelor, așa că avem nevoie de tehnici mai atente și mai sofisticate atunci când luăm în considerare undele gravitaționale și tranzițiile supercool.
„Înțelegerea acestui domeniu ne va ajuta să înțelegem cele mai fundamentale întrebări despre originea universului”.
O mai bună înțelegere a tranzițiilor de fază supercool ar putea ajuta, de asemenea, la înțelegerea mai multor tranziții de fază terestre și mai puțin cosmice.
„De asemenea, are legături cu aplicații care sunt mai aproape de casă, cum ar fi înțelegerea modului în care apa curge printr-o stâncă, cele mai bune modalități de a percola cafeaua și modul în care se răspândesc incendiile de vegetație”, a concluzionat Fowlie.
Cercetarea echipei este discutată într-o lucrare publicată în jurnal Scrisori de revizuire fizică.
Postat inițial pe Space.com.