Следы гравитационных волн помогут найти космические струны
Искать струны ученым придется не с помощью традиционной астрономии, а по их гравитационно-волновой сигнатуре, которая может сохраняться в пространстве-времени после исчезновения струны еще очень долгое время
Когда возраст Вселенной не составлял и одной секунды, она уже претерпела самые радикальные преобразующие фазовые переходы. Этот подвиг больше никогда не повторялся. Данные фазовые переходы полностью реорганизовали Вселенную, когда единая сила ((гипотетическая, конечно же) разделилась на отдельные фундаментальные силы: гравитацию, сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм.
Когда силы разделились, фундаментальная энергия квантового вакуума пространства-времени тоже изменилась, но не идеально. Представьте замерзающую в лотке для кубиков льда воду. Когда происходит фазовый переход, образуются кристаллы льда, ориентированные в различных направлениях. Где-то молекулы воды выстраиваются в одну линию, образуя кристалл, а где-то ориентация совершенно другая. Несмотря ни на что, вся вода превращается в лед, между доменами разного расположения кристаллов могут появляться дефекты.
Вы можете увидеть эти дефекты — трещины и разного рода изъяны внутри кубиков. Чтобы увидеть трещины и изъяны, возникшие в пространстве-времени, нам нужно посмотреть намного внимательнее. Дефекты, появившиеся во время ранних фазовых переходов Вселенной, могут иметь самые разные размеры, но наиболее распространенным, вероятно, является одномерная трещина, известная как космическая струна, которая, кстати, не связана с суперструнами теории струн.
Лучший способ найти космическую струну — не искать ее саму, а сосредоточиться на поиске мест, где они запутываются в самих себе или в других струнах. При этом могут образоваться петли из тягучей материи. И эти петли очень нестабильны: они вибрируют как сумасшедшие, пока не сбросят достаточно энергии, чтобы исчезнуть.
Многие теории ранней Вселенной предсказывают, что космические струны должны существовать повсеместно. Но наблюдения пока ничего не дали — ни двойных отображений далеких галактик, когда струны разделяют свет, словно ножом, ни вспышек излучения от вибрации струн.
Недавно опубликованная на arXiv.org статья предлагает новый подход к поиску струн: вместо того, чтобы искать прямые признаки космических струн, следует искать косвенные признаки, следы, которые они оставляют в самом пространстве-времени.
Петли космических струн невероятно массивны и крайне нестабильны. Это мощная сила, способная создавать гравитационные волны, которые представляют собой рябь в ткани пространства-времени. Но современные приборы не обладают достаточной чувствительностью, чтобы обнаружить одиночную вибрирующую петлю.
При этом гравитационные волны не совсем похожи на волны на воде или на звуковые. Они не просто проходят сквозь пространство-время — они могут бесповоротно деформировать пространство-время, создав некое подобие фоновой «памяти».
В недавнем исследовании астрофизики изучили природу гравитационно-волновой памяти, оставленной вибрирующими петлями космической струны. Они обнаружили, что самые сильные волны появляются, когда в петлях образуются изгибы и перегибы. Следовательно, и память данного события будет сильнее.
Как мы уже говорили, астрономам еще не удалось найти доказательств существования космических струн, но теоретики уже давно задаются вопросом, «а не рассеялись ли космические струны давным-давно, не оставив никаких доказательств своего существования?». Но если мы будем искать их гравитационно-волновую память, то можем наткнуться на доказательства их существования, пусть и давнего.
Остается главный вопрос: могут ли ученые обнаружить эту память? К сожалению, говорить об этом пока рано, так как ученые не знают, какое влияние она может иметь на пространство-время.
Возможно, гравитационная энергия срун образует маленькие черные дыры. В этом случае памяти о гравитационных волнах может не оставаться, поскольку большая часть энергии будет направлена на образование черной дыры. Но если вся энергия пойдет на формирование гравитационных волн, их следы можно будет обнаружить с помощью приборов следующего поколения, таких как космическая антенна с лазерным интерферометром.
Гравитационная волновая память — ключевое предсказание общей теории относительности, и астрономы разрабатывают технологию, необходимую для ее обнаружения.
