Исследователь о гравитационных волнах и тёмной материи

Примеры результатов для моделей A, B, C и D (красный, синий, коричневый и оранжевый). Сплошные и пунктирные линии обозначают результаты, когда начальная энергия в скаляре предполагается равной 10% и 1% от полной плотности энергии Вселенной соответственно. Обратите внимание, что модель C имеет многопиковые колебательные характеристики. Также показаны ограничения и чувствительность различных экспериментов GW. Автор: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021004

Гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, предсказанная Эйнштейном почти столетие назад, были впервые обнаружены в 2015 году. Новое исследование, проведенное Яноу Куи, доцентом физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде, сообщает, что очень простые формы материи могли создать обнаруживаемый фон гравитационных волн вскоре после Большого взрыва.

«Этот механизм создания обнаруживаемого фона гравитационных волн может пролить свет на загадочный сигнал гравитационных волн, недавно захваченный обсерваториями синхронизации пульсаров», — сказал Цуй. «Еще один интересный вывод заключается в том, что ту же самую форму материи можно идентифицировать как темную материю, загадочное вещество, которое, как полагают, составляет большую часть массы Вселенной, и которое озадачивает ученых на протяжении десятилетий».

Что это за очень простые формы материи?

Простая форма материи — это разновидность сверхлегкой материи скалярного поля. Скалярность означает, что материя не имеет внутреннего вращения (спина) и напоминает бозон Хиггса. Эти формы материи очень легкие, каждая из них имеет массу, равную миллионной или даже миллиардной массе электрона. Из-за своей очень маленькой массы они действуют скорее как волны, чем как частицы, и пронизывают Вселенную.

Гравитационные волны (ГВ) должны иметь достаточно высокую интенсивность, аналогичную электромагнитным волнам, чтобы текущие эксперименты были достаточно чувствительными для их улавливания. Кроме того, они должны находиться в тех диапазонах частот, к которым чувствительны эти эксперименты; пока из-за технологических ограничений удается обнаружить только определенные диапазоны частот ГВ.

Эти простые формы материи генерируют заметный радиационный фон в виде гравитационных волн вскоре после Большого взрыва и ни в какое другое время?

Да, ГВ генерируются в эпоху, когда скорость расширения Вселенной приближается к массе скалярного поля. За этой точкой процесс остановится, поскольку в какой-то момент внутренний механизм прекратит производство частиц. Когда я говорю «вскоре после Большого взрыва», это происходит всего лишь через долю секунды после него. Значительно позже Большого взрыва могло произойти образование ГВ из астрофизических источников, таких как слияния черных дыр, которые наблюдала Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.

Почему эти простые формы материи не были известны до сих пор?

Они не взаимодействуют с известной материей иначе, как сверхслабое гравитационное взаимодействие. Сигнал GW, который мы продемонстрировали, является способом их обнаружения. Но если они представляют собой темную материю, мы знали о них из общих данных о темной материи. Опять же, поскольку они взаимодействуют с видимой материей только посредством гравитации, которая очень слаба, мы раньше о них мало что знали.

Вы говорите, что было бы интересно идентифицировать эту простую форму материи как темную материю. Не потому ли, что мы наконец узнаем, из чего состоит темная материя?

Больше информации: Yanou Cui et al, Gravitational Wave Symphony from Oscillating Spectator Scalar Fields, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021004

Источник: University of California - Riverside