Физики отвергли квантовое объяснение реликтовых гравитационных волн из древней Вселенной

В начале 2020-х объединение ученых NANOGrav смогло зафиксировать гравитационные волны наногерцевых частот (2,5-12 наногерц), приходящие со всех направлений. Иными словами, они поступают из каждой наблюдаемой нами точки Вселенной как реликтовое излучение, открытое на полвека ранее.

Чтобы обнаружить гравиволны, астрономы отслеживали колебания во времени прихода сигналов от вращающихся нейтронных звезд к Земле. Поскольку гравитационная волна — «рябь» пространства времени, в момент прохождения между нейтронной звездой и нами она изменяет длительность радиосигнала от далекого источника излучения. Эти изменения и фиксировал NANOGrav.

В 2021 году физик Николай Горькавый предложил называть такие гравиволны реликтовыми. Как ученый показал ранее, подобные волны должны быть следами от гравитационных волн «стандартных» частот, от слияния черных дыр из прошлого цикла Вселенной (периода до последнего Большого взрыва). Нынешние «нестандартные» частоты они получили потому, что Вселенная при расширении изменила размер и этих реликтовых гравиволн.

Вместе с тем исследователи предлагали и другие объяснения найденных наногерцевых волн. Например, выдвигалась гипотеза, что они образуются при слиянии пар сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Но при этом должны получаться гравиволны с несколько иной амплитудой. Кроме того, чтобы объяснить наблюдаемое количество наногерцевых волн, придется допустить, что сверхмассивные черные дыры сливаются чаще, чем это выглядит реальным по астрономическим наблюдениям.

Другое популярное объяснение — фазовые переходы в ранней Вселенной из-за случайных колебаний квантовой природы. Считается, что при распаде древнего электрослабого взаимодействия на современные электромагнитное и слабое взаимодействия температура в космической среде вскоре после Большого взрыва могла резко измениться. При этом материя должна была пройти через скачкообразный фазовый переход, отдаленно похожий на быстрое формирование льда из жидкой воды.

Только в древнем космосе фазовый переход должен был выглядеть как превращение зон с ложным вакуумом (пустота, где энергетический уровень не равен минимально возможному) в зоны с истинным вакуумом (пустота, чей энергетический уровень равен минимально возможному — таков вакуум Вселенной в наше время). Взаимодействие областей ложного и истинного вакуума в теории может порождать гравиволны наногерцевой частоты.

В новой работе, вышедшей в журнале Physical Review Letters, международная группа ученых попробовала подробнее рассчитать, могут ли уже найденные наногерцевые волны быть результатом такого «фазового перехода».

Моделирование показало, что диапазон условий, при котором подобный переход может дать гравиволны, довольно узкий. Если образование областей истинного вакуума среди областей ложного будет идти слишком быстро, космос будет насыщен первым слишком быстро, до фазового перехода, а взаимодействие разных областей Вселенной не даст нужных по частоте гравиволн. Но и в противоположном случае — медленного распространения областей с истинным вакуумом — необходимая картина не сложится. Потому что истинный вакуум не успеет распространиться достаточно широко по Вселенной к моменту, когда она остынет настолько, что фазовый переход уже завершится.

Другая проблема: предполагаемый фазовый переход должен выделять большую энергию. То есть по его завершении Вселенная должна была за короткое время снова нагреться на заметную величину. Но при таком нагреве опять не получаются параметры, позволяющие формирование наногерцевых волн. Даже если какие-то гравиволны при этом возникнут, их частота явно не совпадет с наблюдаемой NANOGrav сегодня.

Авторы новой работы не выдвинули каких-то предположений о том, что же в таком случае может объяснять наногерцевые гравиволны, идущие к нам со всех направлений. Мы же напомним, что на сегодня лишь гипотеза Горькавого без сложностей объясняет этот гравитационно-волновой фон.