29 فوریه 2024 -توسط دیوید آپل، Phys.org-اعتبار: Unsplash/CC0 دامنه عمومی
از نظر گرانشی، جهان مکانی پر سر و صدا است. توده ای از امواج گرانشی از منابع ناشناخته به طور غیرقابل پیش بینی در اطراف فضا، از جمله احتمالاً از کیهان اولیه، جریان می یابد.دانشمندان به دنبال نشانه‌هایی از این امواج گرانشی اولیه کیهانی بوده‌اند، و تیمی از فیزیکدانان اکنون نشان داده‌اند که به دلیل رفتار کوارک‌ها و گلوئون‌ها با سرد شدن جهان، چنین امواجی باید نشانه‌ای مشخص داشته باشند. چنین یافته‌ای تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر این دارد که کدام مدل‌ها تقریباً بلافاصله پس از انفجار بزرگ جهان را به بهترین شکل توصیف می‌کنند. این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
دانشمندان برای اولین بار در سال 2015 در تداخل سنج امواج گرانشی LIGO در ایالات متحده شواهد مستقیمی برای امواج گرانشی پیدا کردند. اینها امواج منفرد (البته با دامنه کوچک) از یک منبع خاص هستند، مانند ادغام دو سیاهچاله که از کنار زمین می گذرند. چنین امواجی باعث می شود که بازوهای عمود بر 4 کیلومتری تداخل سنج ها با مقادیر کوچک (اما متفاوت) تغییر طول دهند، این تفاوت با تغییر در الگوی تداخل حاصل از حرکت پرتوهای لیزر به عقب و جلو در بازوهای آشکارساز تشخیص داده می شود.
اما امواج گرانشی کوچک تری نیز وجود دارد، آنقدر زیاد که شبیه نویز به نظر می رسند. دانشمندان با پشتکار در میان این نویز به دنبال پس‌زمینه موج گرانشی تصادفی بوده‌اند (استوکاستیک به معنای تصادفی تعیین‌شده، یعنی غیرقابل پیش‌بینی است). اما تشخیص این امواج گرانشی کوچکتر دشوارتر است و دانشمندان به آرایه های تپ اختری میلی ثانیه ای روی آورده اند که در آنها فاصله زمین تا یک تپ اختر دوردست طول بازوی تداخل سنج موثر است.
تپ اخترها – ستارگان نوترونی در حال چرخش – پرتوهایی از تابش را می فرستند، تعداد کمی در جهتی که پرتو از کنار زمین عبور می کند، مانند پرتوی از یک فانوس دریایی در حال چرخش. تپ اخترها یک دوره چرخشی بسیار پایدار دارند و هر اندازه گیری از زمان بندی این ساعت به طور ماهرانه ای با عبور بی شمار امواج گرانشی کوچکتر که طول موج های سال نوری دارند، تغییر می کند.
سال گذشته، همکاری NANOgrav شواهدی را منتشر کرد که نشان می‌داد این امواج گرانشی تصادفی با فرکانس پایین، مانند گروه‌های دیگر، در پس‌زمینه فضازمان وجود دارند. اما منبع آنها چیست؟ آیا پس‌زمینه از پدیده‌های اخترفیزیکی، مانند صدها هزار سیاهچاله کلان پرجرم، ابرنواخترها و امثال آن نشأت می‌گیرد؟
شاید پس‌زمینه از کیهان اولیه سرچشمه گرفته باشد و امواج آن هر از گاهی منتشر شده‌اند، شبیه به پس‌زمینه مایکروویو کیهانی که تمام فضا را به دلیل جدا شدن فوتون‌ها از الکترون‌ها 380000 سال پس از انفجار بزرگ پر می‌کند. یا چیز دیگری؟
تشخیص سناریوها با چالش هایی مواجه است. درک کنونی از فیزیک سیاهچاله های کلان جرم هنوز به اندازه کافی توسعه نیافته است که بتوان نتیجه گیری های قطعی کرد. و طیف پیوسته امواج گرانشی پس زمینه به جزئیات میکروسکوپی منبع آنها بستگی دارد و نیاز به شبیه سازی عددی دقیق دارد.
این کار جدید راهی برای تشخیص امواج اولیه جهان از امواج دیگر ارائه می دهد. فیزیک مدل استاندارد – نظریه‌های موفق برهم‌کنش‌های قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی – باید ردپای مشخصی در پس‌زمینه اندازه‌گیری شده باقی بگذارد که مستقل از مدل دقیق کیهان اولیه انتخاب شده باشد.
همانطور که جهان از لحظه اولیه انفجار بزرگ سرد شد، مراحل مختلفی را پشت سر گذاشت. یکی از مواردی که در بالا ذکر شد، جدا شدن فوتون‌ها پس از 380000 سال است، زیرا جهان به اندازه‌ای سرد شده است که الکترون‌ها می‌توانند به پروتون‌ها پیوند برقرار کنند و اتم‌های هیدروژن را تشکیل دهند و فوتون‌ها را به‌طور ناگهانی سرگردان کنند.
اما یک انتقال یا متقاطع قبلی وجود داشت، زیرا کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد، که پلاسمای کوارک-گلوئونی را تشکیل داده بودند، در ذرات مجزای دو یا چند کوارک که در نتیجه نیروی قوی به هم چسبیده بودند، با گلوئون‌هایی که با آنها به دام افتاده بودند، ادغام شدند.
انتظار می‌رود این «کرومودینامیک کوانتومی (QCD) متقاطع» زمانی اتفاق بیفتد که کیهان دمایی در حدود یک تریلیون کلوین داشت، حدود 10 تا 5 ثانیه پس از انفجار بزرگ. که مربوط به انرژی حدود 100 مگا ولت است.QCD نظریه نیروی قوی است.
همانطور که مشخص است، فرکانس‌های نانوهرتزی که توسط آرایه‌های زمان‌بندی تپ اختر کاوش می‌شوند، از همان ترتیب امواج گرانشی تصادفی با فرکانس پایین قابل مشاهده در پس‌زمینه هستند. متقاطع امواج را ایجاد نمی کند، اما افت ناگهانی تعداد ذرات آزاد معادله حاکم بر وضعیت جهان را تغییر می دهد. منابع موج گرانشی قبل از متقاطع QCD سیگنالی با فرکانس پایین تولید می کنند که تحت تأثیر این تغییر در معادله حالت قرار می گیرند. محققان می گویند که اکنون می توان سیگنال را در داده های آرایه زمان بندی تپ اختر جستجو کرد.
دا وید راکو، یکی از نویسندگان مقاله از موسسه فیزیک نظری دانشگاه استنفورد.گفت: «ما فکر می‌کنیم که توصیف دقیق پس‌زمینه موج گرانشی برای منشأهای مختلف، گامی حیاتی برای پیشبرد این اکتشاف است.
“ما یک ویژگی عمومی و اجتناب ناپذیر را برای طیف گسترده ای از پدیده های اولیه برجسته می کنیم که ثابت می کنیم یک عنصر مفید برای تمایز بین منابع مختلف پس زمینه است.”
چنین نتیجه‌ای می‌تواند تأثیر شگفت‌انگیز پیچیدگی‌های فیزیک کوانتومی بر کیهانی باشد که امروزه می‌بینیم، و دوباره نشان می‌دهد که چگونه فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی در یک زمین به هم می‌رسند.
