У космології зробилено кілька новаторських відкриттів за останні понад 100 років, відколи Айнштайн розробив теорію відносності. Двома найвизначнішими стало відкриття космічного мікрохвильового фону (Cosmic Microwave Background, CMB) у 1965 році та підтвердження існування гравітаційних хвиль у 2015 році. Щоб здобути кожне з них, науковці використовували різні інструменти, але обидва підтверджували теорію Великого Вибуху, яка пов’язана з утворенням Всесвіту. Однак ми все ще не розуміємо важливу частину цього утворення. В оглядовій статті Рішава Рошан (Rishav Roshan) та Ґрем Вайт (Graham White) з Саутгемптонського університету (Велика Британія) висловили припущення, що науковці можуть досягти певного прогресу в нашому односекундному «розриві» в знаннях, застосувавши нове розуміння гравітаційних хвиль.

Спочатку давайте подивимося, яку проблему намагаються вирішити фізики. Теорія Великого Вибуху наразі є найприйнятішим вченими. У ній є різні стадії, зокрема найраніша, відома як «інфляція», і стадія, на якій починають формуватися атоми, відома як нуклеосинтез Великого Вибуху (Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Однак між закінченням інфляції та початком BBN буводносекундний проміжок, який науковці досі не змогли прояснити.

Важко зрозуміти, що сталося в ту секунду, бо цей конкретний період був непрозорим для електромагнітних хвиль, таких як CMB, що допомогли підтвердити теорію Великого Вибуху. Хоча одна секунда може здатися не дуже великим відтинком часу, температура у Всесвіті могла впасти приблизно на двадцять два порядки величини за цю секунду. Те, як відбулася ця зміна температури, має вирішальне значення для розуміння того, що сталося в BBN і, отже, для створення Всесвіту, яким ми його знаємо нині.

На щастя, гравітаційні хвилі врятують ситуацію. Вони могли подолати навіть цей односекундний проміжок, що дає змогу космологам уперше зазирнути в раніше таємничий час і спробувати зібрати будь-яку інформацію про дисбаланс між матерією та антиматерією або швидкість розширення самого Всесвіту в цій точці. Але для цього їм потрібен новий набір інструментів.

Тепер, коли гравітаційні хвилі офіційно виявлено, після пошуків, які тривали понад 100 років, науковці мають багато нових ідей щодо нових способів їх реєстрації. В статті розглянуто три методи, кожен з яких може допомогти знайти хвилі різних частот.

По-перше, це більш досконалі системи, подібні до LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія), які виявили першу хвилю. Ці точні інструменти, відомі як інтерферометри, використовують синхронізовані лазери для виявлення будь-яких дрібних відмінностей між двома місцями, які могли спричинити гравітаційні хвилі. Науковці розробили плани на майбутнє, що передбачають створення більших інтерферометрів як на Землі, так в космосі. Вони не будуть реагувати на такі збурення, як землетруси. Ці установки зможуть вивчати гравітаційні хвилі в діапазоні частот від мікрогерців до кілогерців.

Двома іншими методами є астрометрія та антени синхронізації пульсарів (pulsar timing array). Обидва вони корисні в інших частинах космології, але також можуть допомогти виявляти гравітаційні хвилі нижчої частоти, якщо приймачі, що працюють на основі цих методів, достатньо чутливі. Астрометрію частіше використовують для виявлення екзопланет, тоді як антени синхронізації пульсарів — це метод вимірювання відстані в космологічних масштабах. Однак на обидва можуть впливати повільні гравітаційні хвилі. Їх можна буде виявити тими ж інструментами, які науковці вже використовували для моніторингу цих хвиль.

За допомогою цих різних методів шукатимуть стохастичний гравітаційно-хвильовий фон (Stochastic Gravitational-Wave Background, SGWB). За своїм походженням він чимось нагадує космічний мікрохвильовий фон, бо це залишок початкової фази Всесвіту. Проте в цьому разі SGWB містить гравітаційні хвилі, які дають змогу астрономам побачити початок Всесвіту.

Якщо такі нові інструменти реєструють це, вони потенційно можуть виявити деякі масивні енергетичні події, які відбулися під час односекундного спаду температури. Однією з найпоширеніших теорій утворення гравітаційних хвиль є «акустичне» джерело. Це не звук в його традиційному розумінні — це масивні ударні хвилі, які виникають від зіткнення двох «звукових оболонок», що оточують ранню гарячу матерію. Такі теорії, як ця, віднесено в статті до групи теорій про «космічні фазові переходи».

Інша група теорій, оглянутих в статті, стосуються події, відомих як «топологічні дефекти». Топологія — поширена тема у фізиці, й «дефект» у цьому разі означає фактичний розрив простору-часу, як ми його знаємо. Ці події можуть мати очевидні гравітаційні наслідки, деякі з яких мають бути помітні на частотах, доступних новим детекторам.

Остаточний набір подій, які можуть спричинити гравітаційні хвилі, називають «скалярами». Замість того, щоб представляти «розрив», як дефекти, згадані вище, ці події є просто гігантськими версіями відомої фізики. Гравітаційні хвилі можуть бути спричинені великими масами, що рухаються разом, хоча рівняння краще описують таку «скалярну» подію, ніж слова.

Інші, ще екзотичніші події можуть привести до появи гравітаційних хвиль протягом цього періоду часу, але для їх виявлення знадобляться детектори з вищою частотою, ніж доступні нині. Конструкції деяких із них, що могли б виявляти високочастотні гравітаційні хвилі, наразі є на креслярських дошках, але на момент написання статті не було відомо про тверді переконання чи експериментальні докази їхньої ефективності.

Космологам, безсумнівно, буде що робити навіть без виявлення високочастотних гравітаційних хвиль. Астрономія вступила в епоху гравітаційних хвиль — і з кожним днем ​​вона стає все ближчою до реальності — статті, подібні до тієї, яку підготували Рошан і Вайт — це те, що допомагає освітлити шлях.

За інф. з сайту www.universetoday.com