В поисках первых волн Вселенной: как пульсары, кварки и глюоны открывают нам секреты Большого взрыва

Вселенная — это не только красивые звезды, планеты и галактики. Это также место, где происходят удивительные явления, связанные с гравитацией. Одно из них — это гравитационные волны, которые можно представить как маленькие колебания на поверхности пространства-времени, возникающие от сильных источников, таких как слияние черных дыр или сверхновые. Гравитационные волны искажают пространство-время, меняя расстояния между объектами. Это эффект можно измерить с помощью специальных приборов, называемых интерферометрами гравитационных волн, таких как LIGO в США.

Но не все гравитационные волны одинаковы. Некоторые из них очень слабы и низкочастотны, и поэтому трудно обнаружимы. Они образуют фоновый шум, который заполняет всю Вселенную. Откуда он берется? Может быть, он связан с астрофизическими процессами, происходящими в настоящее время или в прошлом? Или же он имеет космологическое происхождение, то есть связан с самым началом Вселенной, когда произошел Большой взрыв?

Этот вопрос интересует многих ученых, которые пытаются найти ответы, используя разные методы. Один из них — это наблюдение за пульсарами, которые являются вращающимися нейтронными звездами, излучающими мощные лучи света. Если такой луч проходит мимо Земли, мы можем зарегистрировать его как регулярный сигнал, похожий на маяк. Пульсары очень точные часы, и если между ними и Землей пройдет слабая гравитационная волна, то это изменит время прихода сигнала. Таким образом, измеряя время сигналов от разных пульсаров, можно попытаться обнаружить фоновые гравитационные волны.

Недавно группа ученых из коллаборации NANOgrav заявила, что они нашли доказательства существования таких волн в данных по пульсарам. Однако они не могут точно сказать, какой у них источник. Возможно, это сверхмассивные черные дыры, которые сливаются в центрах галактик. А может быть, это следы самого Большого взрыва, который породил первые гравитационные волны в истории Вселенной.

Как же различить эти два сценария? Оказывается, что для этого нужно учитывать не только гравитацию, но и другие силы природы, такие как сильное взаимодействие, которое держит вместе кварки и глюоны. Кварки и глюоны — это элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. В нормальных условиях они не могут существовать отдельно, а только в комбинациях, называемых адронами. Но в ранней Вселенной, когда температура была очень высокой, кварки и глюоны были свободны и образовывали кварк-глюонную плазму.

Эта плазма перешла в адроны, когда Вселенная остыла до температуры около одного триллиона Кельвин, что произошло примерно через 10-5 секунд после Большого взрыва. Этот переход, или кроссовер, изменил уравнение состояния Вселенной, то есть зависимость между ее плотностью и давлением. Это, в свою очередь, повлияло на гравитационные волны, которые были созданы до этого момента. Они получили особый сигнал, который можно искать в данных по пульсарам.

Это и сделали другие ученые из Стэнфордского университета, которые опубликовали свою работу в журнале Physical Review Letters. Они показали, что гравитационные волны, порожденные в ранней Вселенной, должны иметь отличительную особенность, которая не зависит от конкретной модели Большого взрыва. Эта особенность — это изменение спектра волн, то есть распределения их амплитуды по частотам, из-за кроссовера квантовой хромодинамики. Если такой сигнал будет найден, то это будет доказательством того, что мы можем увидеть следы самого начала Вселенной с помощью пульсаров.

Это было бы удивительным открытием, которое показало бы, как квантовая физика влияет на космологию, и как мы можем изучать прошлое Вселенной с помощью современных технологий. Гравитационные волны — это не только шум, но и ценная информация о том, что происходило во Вселенной миллиарды лет назад.