Фазовые переходы в ранней Вселенной: что скрывается за гравитационными волнами?

Что такое гравитационные волны? Это вибрации пространства-времени, которые создаются ускоренным движением тяжелых объектов, например, черных дыр или нейтронных звезд. Эйнштейн предсказал их существование в своей общей теории относительности, но мы смогли их зарегистрировать только в 2015 году с помощью эксперимента LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Гравитационные волны открывают нам новое окно в космос, позволяя изучать явления, которые не доступны для других видов наблюдений. Одно из таких явлений — это фазовые переходы первого рода (FOPTs) в ранней Вселенной.

Фазовые переходы — это изменения состояния системы, например, когда вода превращается в лед или пар. Фазовые переходы первого рода — это особенный случай фазовых переходов, когда система меняет свое состояние резко, а не плавно. При этом высвобождается энергия, которая может приводить к появлению пузырьков новой фазы в старой.

Такие фазовые переходы могли случаться в ранней Вселенной, когда она была очень горячей и плотной, и в ней действовали фундаментальные силы и частицы, отличные от тех, которые мы знаем сейчас. Эти фазовые переходы могли нарушать симметрии между разными типами сил и частиц, приводя к формированию стандартной модели — теории, которая описывает все известные нам элементарные частицы и их взаимодействия.

Фазовые переходы первого рода в ранней Вселенной могут иметь большое значение для понимания фундаментальной физики, так как они могут дать ответы на некоторые из самых глубоких вопросов космологии. Например, они могут решить, почему в нашей Вселенной больше материи, чем антиматерии, хотя они должны были бы уничтожить друг друга. Или они могут подсказать нам о темной материи и темной энергии — скрытых составляющих Вселенной, которые образуют большую часть ее массы и энергии, но не взаимодействуют с обычной материей.

Но как мы можем узнать о фазовых переходах первого рода в ранней Вселенной, если они происходили в микроскопических масштабах и за доли секунды после Большого взрыва? Ответ — с помощью гравитационных волн.

Когда пузырьки новой фазы формируются и растут во время фазового перехода, они сталкиваются друг с другом и с окружающей плазмой, создавая турбулентность и звуковые волны. Эти волны могут возмущать пространство-время, порождая гравитационные волны, которые распространяются по всей Вселенной и доходят до нас.

Эти гравитационные волны имеют очень специфический спектр — распределение энергии по разным частотам — который зависит от параметров фазового перехода, таких как температура, скорость и сила перехода. Измеряя этот спектр, мы можем определить свойства фазового перехода и, следовательно, свойства фундаментальных сил и частиц, которые участвовали в нем.

Для этого ученым нужны чувствительные детекторы гравитационных волн, способные регистрировать волны разных частот. Сейчас есть несколько наземных детекторов, таких как LIGO, VIRGO и KAGRA, которые могут обнаруживать гравитационные волны высоких частот, порожденные слиянием черных дыр или нейтронных звезд. Но для обнаружения гравитационных волн от фазовых переходов в ранней Вселенной нужны детекторы низких частот, которые могут работать в космосе.

Одним из таких проектов — это LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — совместная миссия Европейского космического агентства и НАСА, которая планируется к запуску в 2034 году. LISA будет состоять из трех спутников, образующих равносторонний треугольник со стороной около 2,5 миллиона километров. Спутники будут посылать лазерные лучи друг другу, измеряя расстояние между собой с невероятной точностью. Любое изменение расстояния, вызванное прохождением гравитационной волны, будет регистрироваться детектором.

LISA сможет обнаруживать гравитационные волны от различных источников, в том числе от фазовых переходов в ранней Вселенной, если они были достаточно сильными. Это даст нам уникальную возможность заглянуть в эпоху, когда Вселенная была еще молодой и горячей, и когда в ней могли существовать новые физические явления, которые ученые не могут воспроизвести в лаборатории.

Физики из университета Монаша в Австралии провели обширный обзор теоретических и экспериментальных аспектов феноменологии гравитационных волн от фазовых переходов в ранней Вселенной. Они рассмотрели различные модели физики частиц, которые могут приводить к таким переходам, и описали методы вычисления их характеристик, таких как температура, скорость и сила перехода. Они также проанализировали динамику пузырьков новой фазы, сталкивающихся друг с другом и с окружающей средой, и способы прогнозирования спектров гравитационных волн, которые могут быть обнаружены будущими детекторами, такими как LISA.

Их работа служит полезным руководством для физиков, желающих исследовать захватывающую область феноменологии гравитационных волн, и для астрономов, интересующихся историей и эволюцией Вселенной. Они показывают, как гравитационные волны могут стать мостом между микро- и макромиром, и как они могут помочь нам раскрыть тайны фундаментальной физики, которые скрываются за пределами нашего непосредственного наблюдения.

Гравитационные волны — это не только новый способ наблюдать за Вселенной, но и новый способ понимать ее. Они могут дать нам ценную информацию о фазовых переходах в ранней Вселенной, которые могли определять ее структуру и свойства. Они могут также дать нам подсказки о новой физике за пределами стандартной модели, которая может объяснить некоторые из самых глубоких загадок космологии. Они могут, наконец, дать нам возможность увидеть то, что было скрыто от нас до сих пор.