Het North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) is een zwaartekrachtgolfdetector die gebieden in de buurt van de aarde bewaakt met behulp van een netwerk van pulsars (d.w.z. klokachtige sterren). Eind 2020, de NANOGrav-samenwerking verzamelde bewijs van fluctuaties in de timinggegevens van 45 pulsars, die compatibel zou kunnen zijn met een stochastisch zwaartekrachtgolfachtergrondsignaal (SGWB) bij nanohertz-frequenties.

Deze zwaartekrachtsgolven kunnen mogelijk in verband worden gebracht met het samensmelten van extreem massieve zwarte gaten. Teams van theoretisch natuurkundigen wereldwijd, echter, hebben alternatieve verklaringen gegeven voor de door NANOGrav waargenomen zwaartekrachtsgolven. Sommige groepen hebben gesuggereerd dat ze kunnen zijn geproduceerd door superdichte filamenten die bekend staan ​​​​als kosmische snaren, terwijl anderen veronderstelden dat ze zouden kunnen zijn gegenereerd tijdens de geboorte van oerzwarte gaten.

Een kosmische stringinterpretatie van de NANOGrav-gegevens

John Ellis en Marek Lewicki, twee onderzoekers van King's College London en de Universiteit van Warschau, bood onlangs een kosmische snaartheoretische interpretatie van de nieuwe NANOGrav-gegevens. Ze toonden aan dat het SGWB-signaal dat NANOGrav mogelijk heeft waargenomen, kan worden geproduceerd door een netwerk van kosmische snaren die in het vroege universum zijn geboren. De onderzoekers theoretiseerden dat dit netwerk zou evolueren naarmate het universum uitdijt, het produceren van gesloten lussen wanneer snaren botsen. Deze lussen zouden dan langzaam vervallen tot zwaartekrachtsgolven, resulterend in het signaal gedetecteerd door NANOGrav.

"We hebben laten zien dat kosmische snaren zeer goed passen bij het NANOGrav-signaal, iets beter dan de mogelijke alternatieve bron van superzware zwart-gat binaries, " zeiden Ellis en Lewicki. "Bovendien, we hebben aangetoond dat onze hypothese eenvoudig te testen zal zijn in toekomstige observatoria voor zwaartekrachtgolven zoals LISA."

"Ons onderzoek is gebaseerd op jarenlang werk van vele groepen die nauwkeurige berekeningen mogelijk hebben gemaakt van het zwaartekrachtgolfsignaal geproduceerd door kosmische snaren, Ellis en Lewicki vertelden Phys.org. "We kwamen in actie zodra we hoorden van de veelbelovende nieuwe gegevens van de NANOGrav-samenwerking, om te controleren hoe goed een kandidaat een netwerk van kosmische snaren zou zijn om de gegevens uit te leggen."

Het artikel van Ellis en Lewicki wijst erop dat de expansiegeschiedenis van het universum ook in het signaal is gecodeerd. Dit komt omdat het netwerk van kosmische snaren dat ze beschrijven een signaal zou uitzenden door de geschiedenis van het universum heen en alle kenmerken in de uitdijing van het universum zouden een overeenkomstige afdruk achterlaten op het spectrum van het signaal dat vervolgens door toekomstige detectoren zou kunnen worden onderzocht.

"Dankzij de sterkte van het signaal dat nodig is om de NANOGrav-gegevens uit te leggen, dit zou het mogelijk maken om de geschiedenis van het universum te onderzoeken naar tijden die veel eerder waren dan eerder werd gedacht, verdere studie rechtvaardigen, " zeiden Ellis en Lewicki. "We werken momenteel aan AION en AEDGE, dat zijn nieuwe voorgestelde experimenten die in de toekomst een ander deel van de geschiedenis van het universum zouden kunnen onderzoeken dan NANOGrav of LISA, en mogelijk onze interpretatie van de NANOGrav-gegevens testen."

Het NANOGrav-signaal als het eerste bewijs van kosmische snaren

Parallel aan het werk van Ellis en Lewicki, onderzoekers van Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) en CERN probeerden ook theoretisch aan te tonen dat zwaartekrachtsgolven van kosmische snaren een goed gemotiveerde en perfect haalbare verklaring zijn voor het door NANOGrav gedetecteerde pulsar-timingsignaal. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , bouwt voort op een aantal eerdere studies op het gebied van zwaartekrachtsgolfastronomie.

"Sinds de baanbrekende detectie van zwaartekrachtsgolven door LIGO in 2015, het veld van de astronomie van zwaartekrachtgolven blijft in een indrukwekkend tempo vooruitgang boeken, " Kai Schmitz van CERN, een van de auteurs van het artikel, vertelde Phys.org. "Zo ver, alle waargenomen signalen werden veroorzaakt door astrofysische gebeurtenissen zoals de samensmelting van binaire zwarte gaten. Deze gebeurtenissen worden 'van voorbijgaande aard' genoemd en leiden alleen tot kortdurende signalen in zwaartekrachtgolfdetectoren. De volgende grote stap in de astronomie van zwaartekrachtgolven wordt daarom de detectie van een stochastische 'achtergrond' van zwaartekrachtgolven, een signaal dat constant aanwezig is, ons vanuit alle richtingen in de ruimte bereiken."

De detectie van 'achtergrond'-zwaartekrachtsignalen kan worden geassocieerd met een grotere verscheidenheid aan astrofysische en kosmologische verschijnselen, variërend van binaire fusies tot gebeurtenissen die plaatsvonden in het vroege heelal. Opmerkelijk, zo'n SGWB-signaal zou ook het zwaartekrachtsgolf-equivalent van het kosmische microgolfachtergrondsignaal (CMB) kunnen zijn, dat is in wezen het nagloeien van de oerknal in elektromagnetische straling en bij microgolffrequenties.

"Als deeltjesfysici, we zijn vooral geïnteresseerd in de oerbijdragen aan de SGWB, die beloven een schat aan informatie te coderen over de dynamiek van het vroege heelal en dus de deeltjesfysica bij de hoogste energieën, "Zei Schmitz. "Mogelijke bronnen van oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven kunnen kosmische inflatie zijn, faseovergangen in de vacuümstructuur van het vroege heelal en kosmische snaren. In onze eerdere projecten, we hadden alle drie deze mogelijkheden al verkend."

In hun recente studie, Schmitz en zijn MPIK-collega's Simone Blasi en Vedran Brdar veronderstelden dat de door NANOGrav verzamelde pulsar-timinggegevens het eerste bewijs zouden kunnen zijn van kosmische snaren. Kosmische snaren zijn getheoretiseerd als de overblijfselen van faseovergangen bij extreem hoge energieën, mogelijk dicht bij de energieschaal van grote eenwording (d.w.z. de energieën waarbij voorspeld wordt dat alle subatomaire krachten van de natuur zich zullen verenigen in een gemeenschappelijke kracht).

"In dit geval, de faseovergang die geboorte geeft aan kosmische snaren zal waarschijnlijk niet leiden tot een waarneembaar signaal in zwaartekrachtsgolven zelf, ofwel omdat het gewoon geen noemenswaardig signaal produceert of omdat het signaal hoog is, niet waarneembare frequenties, " zei Schmitz. "Kosmische snaren, echter, de restanten van de faseovergang, kans hebben om een ​​groot signaal te produceren in zwaartekrachtsgolven die, indien gedetecteerd, kan ons vertellen over de symmetrieën en krachten die het universum regeerden tijdens de eerste momenten van zijn bestaan."

Vroeger, natuurkundigen hebben een aantal theoretische modellen voorgesteld die speculeren over welke soorten nieuwe fysica aanleiding kunnen geven tot een netwerk van kosmische snaren in het vroege heelal. In sommige van hun eerdere studies, Schmitz, Blasi en Brdar concentreerden zich specifiek op het idee dat kosmische snaren verband zouden kunnen houden met de oorsprong van neutrinomassa's en de kosmische asymmetrie tussen materie en antimaterie.

"Deze verbinding tussen zwaartekrachtsgolven, kosmische snaren en het zogenaamde wipmechanisme, de meest bestudeerde realisatie van neutrino massageneratie, werd onderzocht in tal van studies, zowel door ons als door andere teams, "Schmitz zei. "Kosmische snaren van dit type worden 'kosmische B-L-snaren' genoemd, " omdat ze het gevolg zijn van een kosmologische faseovergang die leidt tot de schending van BL (B minus L) symmetrie; waarbij BL staat voor het verschil van baryon (B) en lepton (L) getal. BL symmetrie speelt een belangrijke rol in de wip mechanisme; alleen het "breken" van deze symmetrie in het vroege heelal maakt de weg vrij voor een fysieke toestand van het heelal waarin neutrino's massa kunnen verwerven via het wipmechanisme."

Schmitz en zijn collega's hebben al getheoretiseerd over zwaartekrachtsgolven die zouden kunnen ontstaan ​​​​uit kosmische B-L-snaren in een paper gepubliceerd in 2020. In dit eerdere werk, ze richtten zich specifiek op het zwaartekrachtsgolfspectrum bij hogere frequenties, het verkennen van de mogelijkheid om speciale hoeken van parameterruimte te onderzoeken die relevant zijn vanuit het perspectief van het wipmechanisme.

"Toen we voor het eerst hoorden over het nieuwe NANOGrav-resultaat, we waren volledig voorbereid om onze voorspellingen voor een kosmisch-snaar-geïnduceerd zwaartekrachtgolfsignaal te vergelijken met het signaal in de NANOGrav-gegevens, " Zei Schmitz. "We begonnen dus onmiddellijk het zwaartekrachtsgolfspectrum te berekenen van kosmische snaren in het nanohertz-frequentiebereik. In tegenstelling tot onze analyse in april 2020, we concentreerden ons niet langer op kosmische B-L-snaren, maar beschouwd kosmische snaren in meer algemene zin, agnostisch blijven over de details van hun oorsprong bij zeer hoge energieën."

In hun recente studie, Schmitz, Blasi en Brdar wilden aantonen dat het door NANOGrav waargenomen signaal de zwaartekrachtsgolven van kosmische snaren kon reflecteren. Bovendien, ze probeerden het hele levensvatbare gebied in de kosmische stringparameterruimte in kaart te brengen waarmee men de gegevens zou kunnen passen.

"Momenteel, het is belangrijk om voorzichtig te blijven, omdat het nog niet eens duidelijk is of NANOGrav echt een zwaartekrachtgolfachtergrond heeft gedetecteerd, "Zei Schmitz. "Hiervoor, het is eerst nodig om een ​​specifiek correlatiepatroon te detecteren tussen de timingresiduen van individuele pulsars. Dit patroon kan worden weergegeven als een grafiek die de correlatie toont tussen paren pulsars als functie van de hoek die twee pulsars in de lucht scheidt; deze grafiek is de beroemde Hellings-Downs-curve."

Om te bevestigen dat het door NANOGrav gedetecteerde signaal afkomstig is van zwaartekrachtsgolven, natuurkundigen zouden eerst moeten aantonen dat het voldoet aan de Hellings-Downs-curve. Hoewel de gegevens redelijk in overeenstemming lijken te zijn met deze interpretatie, onderzoekers moeten nog voldoende bewijs verzamelen van het Helling-Downs-patroon dat in de gegevens naar voren komt. Lopende en toekomstige studies, echter, zou uiteindelijk de validiteit van het NANOGrav pulsar-timingsignaal kunnen vaststellen en enkele van zijn eigenschappen met betere precisie kunnen meten. Het meten van de eigenschappen van het NANOGrav-signaal (bijv. of het stijgt / daalt als een functie van de frequentie en, als, hoe snel het stijgt / daalt) zou kunnen helpen om de mogelijke bronnen te bepalen.

"Het enige wat we kunnen zeggen is dat, Momenteel, zwaartekrachtsgolven van kosmische snaren zijn een perfect haalbare verklaring van het signaal, " zei Schmitz. "Kosmische snaren resulteren in de juiste amplitude A van het signaal; ze resulteren in een spectrale index-gamma die perfect consistent is met de NANOGrav-grenzen op deze parameter; en de voorspelde gammawaarden zijn zelfs iets (maar slechts een klein beetje) beter in overeenstemming met de gegevens dan de waarde gamma =13/3 voorspeld door superzware zwart-gat binaries."

Algemeen, de studie van Schmitz, Blasi en Brdar demonstreren theoretisch dat kosmische snaren een haalbare verklaring kunnen zijn voor het NANOGrav-signaal. Bovendien, de onderzoekers toonden aan dat de interpretatie van de kosmische snaar werkt voor een groot aantal van de twee kosmische snaarparameters waarop ze zich in hun paper concentreerden:de kosmische snaarspanning Gmu en de kosmische snaarlusgrootte alpha.

"Dit maakt de interpretatie van de kosmische snaar flexibel en opent veel mogelijkheden met betrekking tot de mogelijke oorsprong van de kosmische snaren, " legde Schmitz uit. "Grote lussen met een kleine spanning kunnen het signaal verklaren, kleinere lussen met een wat grotere spanning kunnen het signaal verklaren, enzovoort."

Naast het theoretisch aantonen dat het NANOGrav-signaal kosmische snaren kan reflecteren, de onderzoekers toonden aan dat toekomstige experimenten met zwaartekrachtgolven bij hogere frequenties een grote levensvatbare parameterruimte zullen onderzoeken. Deze bevinding suggereert dat zwaartekrachtsgolven van kosmische snaren een ideale maatstaf kunnen zijn voor multifrequente zwaartekrachtsgolfastronomie.

"In tegenstelling tot veel andere verklaringen van het NANOGrav-signaal, we voorspellen dat kosmische snaren ook zullen leiden tot een signaal dat zal worden waargenomen in ruimtegebaseerde en op de grond gebaseerde experimenten van de volgende generatie, " zei Schmitz. "Dit aspect van onze interpretatie benadrukt de complementariteit van deze metingen bij lage en hoge frequenties. Een positieve detectie bij hoge frequenties zal het vooral mogelijk maken om de expansiegeschiedenis van het vroege heelal te reconstrueren."

De parameter Gmu, kenmerkend voor de kosmische snaarspanning, of energie per lengte-eenheid, kan worden vertaald in een schatting van de energieschaal waarop kosmische snaren zich in het vroege heelal zouden hebben gevormd. De Gmu-waarden die Schmitz en zijn collega's in hun analyse vonden, wijzen op een energieschaal in het bereik van 10 ¹⁴ tot 10 ¹⁶ GeV.

"Dit zijn typische waarden die men ook tegenkomt in grote verenigde theorieën (GUT's) die de unificatie van subatomaire krachten bij zeer hoge energieën beschrijven, ’ legde Schmits uit.

"Onze resultaten zijn daarom consistent met het idee van grootse eenwording en het doorbreken van bepaalde symmetrieën in het vroege universum die resulteren in de creatie van een netwerk van kosmische snaren."

Hoewel de theoretische analyses die door dit team van onderzoekers zijn uitgevoerd zeer verhelderend zijn, het is belangrijk op te merken dat modellen van het zwaartekrachtgolfsignaal dat zou worden geproduceerd door kosmische snaren, gepaard gaan met enkele theoretische onzekerheden. Bijvoorbeeld, twee van de meest gebruikte benaderingen om kosmische snaardynamiek te bestuderen in grootschalige computersimulaties, namelijk de "Nambu-Goto strings" en "Abelian Higgs strings" benaderingen, leiden niet altijd tot hetzelfde resultaat.

"In ons werk we maken gebruik van simulaties van Nambu-Goto snaren, " voegde Schmitz eraan toe. "Op de lange termijn, het zou interessant zijn om de discrepantie tussen deze twee benaderingen op te lossen, die, echter, is een zeer uitdagende taak. Ondertussen, we zijn daarom van plan om in kleinere stappen te werk te gaan en achtereenvolgens de Nambu-Goto-beschrijving van kosmische snaren te verbeteren."

In de Nambu-Goto benadering, kosmische snaren zijn min of meer karakterloos, omdat ze worden beschreven als eendimensionale objecten die een bepaalde hoeveelheid energie per lengte-eenheid dragen.

Deze weergave weerspiegelt mogelijk niet de eigenschappen van kosmische snaren in echte scenario's.

"Kosmische snaren kunnen in feite een elektrische stroom dragen, ze kunnen energie verliezen via de emissie van elementaire deeltjes naast de emissie van zwaartekrachtsgolven, enzovoort., " zei Schmitz. "In onze volgende studies, we zijn daarom van plan om deze verfijningen stap voor stap te verklaren en te onderzoeken hoe deze meer geavanceerde aspecten zich kunnen manifesteren in het zwaartekrachtsgolfspectrum. Tegelijkertijd, we geloven niet dat deze verfijningen onze kosmische string-interpretatie van het NANOGrav-signaal zullen omverwerpen."

De NANOGrav-gegevens als een indicatie van oerzwarte gaten

Sommige onderzoekers hebben ook verklaringen bedacht voor de NANOGrav-gegevens die het signaal niet in de context van kosmische snaren zien. Bijvoorbeeld, een team van de Université de Genève suggereerde dat een dergelijk SGWB-signaal ook zou kunnen worden gegenereerd door de vorming van primordiale zwarte gaten uit de verstoringen die worden gegenereerd terwijl het universum uitdijt.

"We hebben een mogelijke interpretatie gegeven van het gemeenschappelijke spectrumsignaal, zoals veroorzaakt door zwaartekrachtsgolven die in het vroege heelal zijn gegenereerd in verband met de geboorte van oerzwarte gaten, dat zijn zwarte gaten die in vroege tijdperken tijdens de evolutie van het universum zijn gevormd, "Antonio Rioto, Valerio de Luca en Gabriele Franciolini, de drie onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org via e-mail. "Oorspronkelijke zwarte gaten met massa's niet ver van de typische massa van de asteroïden kunnen de totaliteit van de donkere materie in het universum omvatten en, hun vormingsproces laat een stochastische achtergrond van zwaartekrachtgolven achter die de NanoGrav-gegevens verklaren."

Volgens Rioto, De Luca en Franciolini, het idee dat alle donkere materie in het universum is gemaakt van oerzwarte gaten en het feit dat hun vorming een SGWB-signaal zou moeten achterlaten vergelijkbaar met dat gedetecteerd door NANOGrav lijkt misschien niet gerelateerd, toch konden ze op interessante manieren met elkaar worden verbonden. Bijvoorbeeld, als oerzwarte gaten de hele donkere materie in het heelal zouden vormen, het zou niet nodig zijn om speculatieve verklaringen te bedenken om het bestaan ​​van donkere materie te beschrijven of te verklaren, aangezien het eigenlijk uit 'gewone' materie zou bestaan, waarmee natuurkundigen al bekend zijn.

"Inderdaad, als de donkere materie is gemaakt van oerzwarte gaten, men zou geen speculatieve verklaringen hoeven aan te halen om de donkere materie te verklaren:oerzwarte gaten zijn, in feite, gemaakt van dezelfde gewone materie die we kennen, " legden de onderzoekers uit. "Onze studie biedt een economische verklaring van het signaal dat is gedetecteerd door de NANOGrav-samenwerking met een elegante verbinding met de zoektocht naar donkere materie, die verder kunnen worden onderzocht met behulp van toekomstige zwaartekrachtsgolfexperimenten zoals LISA, een ruimte-interferometer."

Het achtergrondsignaal van de zwaartekrachtgolf dat De Luca, Franciolini en Riotto die voorspeld zouden worden door oerzwarte gaten, zouden binnenkort kunnen worden onderzocht in andere frequentiebereiken (bijv. rond milliHertz-frequenties). In hun volgende studies, de onderzoekers zijn dus van plan om bewijs te zoeken voor het bestaan ​​van oerzwarte gaten die in het vroege universum zijn gegenereerd door nieuwe zwaartekrachtsgolfgegevens in andere frequenties te analyseren.

"Vooral, we willen voorspellingen doen voor de hoeveelheid zwaartekrachtsgolven die in toekomstige experimenten zullen worden gedetecteerd, zoals LISA of de Europese Einstein Telescoop, een ondergrondse detector, zal detecteren, ', aldus de onderzoekers.

In de nabije toekomst, de NANOGrav-samenwerking zal proberen de validiteit van het gedetecteerde signaal te bevestigen. In de tussentijd, theoretische fysici over de hele wereld werken nog steeds aan tal van interessante theorieën die de aard van dit signaal zouden kunnen verklaren. De papers gepubliceerd door deze teams bij Max-Planck-Institut für Kernphysik, CERN, King's College Londen, de Universiteit van Warschau en de Université de Genève bieden bijzonder opmerkelijke interpretaties die door toekomstige studies kunnen worden bevestigd of weerlegd.

© 2021 Science X Network