De NANOGrav-samenwerking heeft onlangs de eerste tekenen van zeer laagfrequente zwaartekrachtsgolven vastgelegd. Prof. Pedro Schwaller en Wolfram Ratzinger analyseerden de gegevens en, vooral, overwogen of dit zou kunnen wijzen op nieuwe fysica buiten het standaardmodel. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift SciPost Natuurkunde , ze melden dat het signaal consistent is met zowel een faseovergang in het vroege heelal als de aanwezigheid van een veld van extreem lichte axion-achtige deeltjes (ALP's). Deze laatste worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor donkere materie.

Zwaartekrachtgolven openen een venster naar het vroege heelal. Hoewel de alomtegenwoordige kosmische microgolfachtergrond geen aanwijzingen geeft over de eerste 300, 000 jaar van ons universum, ze geven een glimp van wat er gebeurde tijdens de oerknal. "Het is precies dit zeer vroege universum dat zo opwindend is voor deeltjesfysici, " legt Pedro Schwaller uit, Hoogleraar theoretische fysica bij het PRISMA+ Cluster of Excellence aan de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). "Dit is de tijd waarin de elementaire deeltjes zoals quarks en gluonen aanwezig zijn, en vervolgens combineren om de bouwstenen van atoomkernen te vormen."

Het bijzondere aan de zwaartekrachtsgolven die de NANOGrav-samenwerking voor het eerst heeft gedetecteerd, is dat ze een zeer lage frequentie van 10 hebben. ^-8 Hertz, wat neerkomt op ongeveer één oscillatie per jaar. Vanwege hun overeenkomstig grote golflengte, om ze te detecteren zou elke detector even groot moeten zijn. Omdat zo'n detector hier op aarde niet mogelijk is, de astronomen van NANOGrav gebruiken verre pulsars en hun lichtsignalen als enorme detectoren.

Wolfram Ratzinger schetst de motivatie achter hun werk:"Hoewel de gegevens ons tot nu toe slechts een eerste hint geven van het bestaan ​​van laagfrequente zwaartekrachtsgolven, het is nog steeds erg spannend voor ons om met hen samen te werken. Dit komt omdat dergelijke golven kunnen worden geproduceerd door verschillende processen die in het vroege universum hebben plaatsgevonden. We kunnen nu de gegevens gebruiken die we al hebben om te beslissen, welke van deze in aanmerking komen en welke helemaal niet passen bij de gegevens."

Als resultaat, de in Mainz gevestigde wetenschappers besloten twee scenario's die de waargenomen zwaartekrachtsgolven zouden kunnen hebben veroorzaakt, nauwkeurig te bekijken:faseovergangen in het vroege heelal en een donkere-materieveld van extreem lichte axion-achtige deeltjes (ALP's). Dergelijke faseovergangen treden op als gevolg van de dalende temperatuur in de oersoep na de oerknal en resulteren in enorme turbulenties, maar net als donkere materie vallen ze niet onder het standaardmodel.

Op basis van de beschikbare gegevens, Pedro Schwaller en Wolfram Ratzinger interpreteren de resultaten van hun analyse met relatieve voorzichtigheid:"Misschien is het scenario van een vroege faseovergang iets waarschijnlijker." Anderzijds, de twee natuurkundigen zijn van mening dat het feit dat ze in staat zijn om bepaalde mogelijkheden uit te werken op basis van slechts beperkte gegevens, het potentieel van hun aanpak aantoont. "Ons werk is een primeur, maar belangrijke ontwikkeling - het geeft ons veel vertrouwen dat we met nauwkeurigere gegevens betrouwbare conclusies kunnen trekken over de boodschap die zwaartekrachtgolven ons sturen vanuit het vroege universum."

"Verder, " Pedro Schwaler besluit, "we kunnen al beginnen bepaalde kenmerken van de scenario's vast te stellen en er beperkingen aan op te leggen, in ons geval de sterkte van de faseovergang en de massa van de axionen."