Zwaartekracht gezien is het heelal een luidruchtige plek. Een mengelmoes van zwaartekrachtgolven uit onbekende bronnen stroomt op onvoorspelbare wijze door de ruimte, mogelijk ook vanuit het vroege heelal.

Wetenschappers hebben gezocht naar tekenen van deze vroege kosmologische zwaartekrachtsgolven, en een team van natuurkundigen heeft nu aangetoond dat dergelijke golven een duidelijke signatuur moeten hebben vanwege het gedrag van quarks en gluonen terwijl het universum afkoelt. Een dergelijke bevinding zou een beslissende invloed hebben op welke modellen het universum vrijwel onmiddellijk na de oerknal het beste beschrijven. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Wetenschappers vonden voor het eerst direct bewijs voor zwaartekrachtsgolven in 2015 bij de LIGO-zwaartekrachtgolfinterferometers in de VS. Dit zijn enkelvoudige (zij het kleine amplitude) golven van een bepaalde bron, zoals de samensmelting van twee zwarte gaten, die langs de aarde spoelen. Dergelijke golven zorgen ervoor dat de 4 km lange loodrechte armen van de interferometers in minuscule (maar verschillende) hoeveelheden van lengte veranderen, waarbij het verschil wordt gedetecteerd door veranderingen in het resulterende interferentiepatroon terwijl laserstralen heen en weer bewegen in de armen van de detector.

Maar er zijn ook kleinere zwaartekrachtgolven, zo veel dat ze op geluid lijken. Wetenschappers hebben te midden van dit geluid ijverig gezocht naar de stochastische zwaartekrachtgolfachtergrond (stochastisch betekent willekeurig bepaald, dat wil zeggen onvoorspelbaar). Maar deze kleinere zwaartekrachtgolven zijn moeilijker te detecteren, en wetenschappers zijn overgestapt op pulsar-arrays van milliseconden, waarbij de afstand van de aarde tot een verre pulsar de effectieve armlengte van de interferometer is.

Pulsars – roterende neutronensterren – zenden stralingsbundels uit, een paar in een zodanige richting dat de straal langs de aarde beweegt, zoals een straal van een roterende vuurtoren. Pulsars hebben een extreem stabiele omwentelingsperiode, en elke meting van deze kloktiming zou op subtiele wijze worden gewijzigd door de passerende ontelbare kleinere zwaartekrachtgolven met golflengten van lichtjaren.

Vorig jaar publiceerde de NANOgrav-samenwerking bewijs dat deze laagfrequente, stochastische zwaartekrachtgolven bestaan ​​in de ruimtetijd-achtergrond, net als andere groepen. Maar wat is hun bron? Is de achtergrond afkomstig van astrofysische verschijnselen, zoals honderdduizenden samensmeltende superzware zwarte gaten, supernova's en dergelijke?

Misschien is de achtergrond ontstaan ​​in het vroege heelal en hebben de golven zich sindsdien voortgeplant, vergelijkbaar met de kosmische microgolfachtergrond die de hele ruimte vult als gevolg van de ontkoppeling van fotonen en elektronen 380.000 jaar na de oerknal. Of iets anders?

Het onderscheiden van de scenario's brengt uitdagingen met zich mee. Het huidige begrip van de fysica van superzware zwarte gaten is nog niet voldoende ontwikkeld om stevige conclusies te trekken. En het continue spectrum van achtergrondzwaartekrachtgolven hangt af van de microscopische details van hun bron en vereist gedetailleerde numerieke simulaties.

Dit nieuwe werk biedt een manier om golven uit het vroege universum te onderscheiden van golven uit andere bronnen. De standaardmodelfysica – de succesvolle theorieën over de sterke, zwakke en elektromagnetische interacties – zouden een duidelijke voetafdruk op de gemeten achtergrond moeten achterlaten, die onafhankelijk is van het exacte gekozen model van het vroege universum.

Toen het heelal vanaf het eerste moment van de oerknal afkoelde, doorliep het verschillende fases. Eén hierboven genoemd is de ontkoppeling van fotonen na 380.000 jaar, toen het universum koel genoeg werd zodat elektronen zich konden binden aan protonen en waterstofatomen konden vormen, waardoor de fotonen plotseling op drift raakten.

Maar er was al een eerdere overgang, of cross-over, toen vrije quarks en gluonen, die een quark-gluon-plasma hadden gevormd, samensmolten tot individuele deeltjes van twee of meer quarks die als gevolg van de sterke kracht aan elkaar vastzaten, met gluonen erin gevangen.

Deze 'kwantumchromodynamica (QCD) crossover' zal naar verwachting hebben plaatsgevonden toen het universum een ​​temperatuur had van ongeveer een biljoen Kelvin, ongeveer 10 ^-5 seconden na de oerknal. Dat komt overeen met een energie van ongeveer 100 MeV. (QCD is de theorie van de sterke kracht.)

Het blijkt dat de nanohertz-frequenties die worden onderzocht door pulsar-timingarrays van dezelfde orde zijn als de waarneembare laagfrequente stochastische zwaartekrachtgolven op de achtergrond. De crossover creëert geen golven, maar de plotselinge daling van het aantal vrije deeltjes verandert de vergelijking die de toestand van het universum bepaalt. Zwaartekrachtgolfbronnen vóór de QCD-crossover produceren een laagfrequent signaal dat wordt beïnvloed door deze verandering in de toestandsvergelijking. Onderzoekers zeggen dat dit signaal nu kan worden opgezocht in de pulsar timing array-gegevens.

"Wij denken dat een nauwkeurige karakterisering van de achtergrond van zwaartekrachtgolven voor verschillende oorsprongen een cruciale stap is om vooruitgang te boeken in deze verkenning", zegt Davide Racco, co-auteur van het artikel van het Institute for Theoretical Physics van Stanford University.

"We benadrukken een generiek en onvermijdelijk kenmerk van een breed scala aan oorspronkelijke verschijnselen waarvan we bewijzen dat het een nuttig ingrediënt is om onderscheid te maken tussen verschillende bronnen van de achtergrond."

Een dergelijk resultaat zou een verrassende impact hebben van de complexiteit van de kwantumfysica op het universum dat we vandaag de dag zien, en opnieuw aantonen hoe deeltjesfysica en kosmologie op hetzelfde terrein samenkomen.

Meer informatie: Gabriele Franciolini et al., Voetafdrukken van de QCD-crossover op kosmologische zwaartekrachtgolven bij Pulsar Timing Arrays, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.081001

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

© 2024 Science X Netwerk