Надвисокочастотні гравітаційні хвилі та космічні струни: новий ракурс у дослідженні раннього Всесвіту

У сучасній астрофізиці дедалі більше уваги приділяється пошуку гравітаційних хвиль надзвичайно високих частот. Відомо, що нинішні детектори, такі як лазерні інтерферометри (LIGO, Virgo) чи масиви пульсарів, охоплюють частоти від декількох герц до кілогерц. Проте надвисокочастотні гравітаційні хвилі (вище кГц, а особливо в діапазоні МГц та ГГц) можуть виявитися ключем до розуміння найбільш ранніх процесів у Всесвіті. Зокрема, одне з перспективних джерел таких сигналів – це космічні струни, особливі топологічні дефекти простору-часу, що могли утворитися під час фазових переходів при порушенні симетрії на ранніх стадіях космологічної еволюції.

Візуалізація гравітаційних хвиль

Що таке космічні струни?

Космічні струни – це гіпотетичні одновимірні структури, які, подібно до тріщин у льоді, можуть утворюватися внаслідок фазового переходу, коли певна симетрія порушується у молодому Всесвіті. Вони є надзвичайно тонкими, але мають колосальну густину енергії. Такі струни здатні формувати петлі, що розпадаються з часом, випромінюючи гравітаційні хвилі. Цей процес може бути джерелом первинних сигналів, які існували ще задовго до формування перших зір та галактик.

Художнє зображення космічних струн

Результати нових досліджень

За даними дослідження, опублікованого в журналі Physical Review D (автори – дослідниця Жеральдін Слуга з Гамбурзького університету та Німецького електронного синхротрона DESY, Німеччина, та науковиця Піра Сімакачорн з Університету Валенсії, Іспанія) [1], космічні струни можуть відігравати домінуючу роль у генерації надвисокочастотних гравітаційних хвиль. Дослідники розглянули два основних сценарії:

1. Локальні струни, що утворюються при локальному порушенні симетрії.

2. Глобальні струни, пов’язані з глобальним порушенням симетрії, а також із моделями, які передбачають існування гіпотетичних “важких аксіоноподібних” частинок.

Враховуючи існуючі обмеження спостережень, виявилося, що локальні струни можуть забезпечувати максимальний внесок у надвисокочастотний фон гравітаційних хвиль, фактично “затіняючи” сигнали від глобальних струн. Іншими словами, у межах досліджених параметрів, локальні космічні струни можуть бути найпотужнішим джерелом таких ультрависокочастотних гравітаційних сигналів.

Значення для фундаментальної фізики

Якщо людство коли-небудь зможе створити детектори, достатньо чутливі для фіксації надвисокочастотних гравітаційних хвиль, спектр цих сигналів може розповісти нам про фізичні поля та процеси раннього Всесвіту. Знання про те, з яких полів утворилися космічні струни, може надати ключові підказки для побудови Великих уніфікованих теорій, покликаних об’єднати електрослабку, сильну та гравітаційну взаємодії в єдину теоретичну структуру. Подібно до того, як масова-енергетична еквівалентність (E=mc²) забезпечила нове розуміння взаємодії енергії та маси, так і дослідження космічних струн можуть пролити світло на глибинні закони формування матерії та енергії у Всесвіті.

Виклики майбутнім детекторам

Незважаючи на великий теоретичний інтерес, сучасні концепції детекторів [2], призначених для пошуку гравітаційних хвиль на МГц-ГГц частотах, поки що не пропонують реалістичних шляхів до виявлення таких сигналів. Як зазначає Піра Сімакачорн, потрібно справжнє технічне та наукове “перезавантаження” підходів до реєстрації хвиль таких високих частот. Жеральдін Слуга додає, що мотивація до пошуку первинних сигналів колосальна, тож, ймовірно, у майбутньому інженери та фізики розроблять принципово нові методи для їх виявлення.

Підсумки та перспективи

Надвисокочастотні гравітаційні хвилі, пов’язані з космічними струнами, – це дослідницька ніша, яка відкриває перспективи для розуміння ранньої динаміки Всесвіту. Виявлення цих сигналів стало б проривом, що допоміг би перевірити низку космологічних моделей та уточнити фундаментальні теорії фізики елементарних частинок та космології. Хоча сучасні технології ще не дозволяють безпосередньо спостерігати ці хвилі, теоретичні дослідження стимулюють розвиток нових підходів до вимірювань, здатних “прислухатися” до найвищих частот космічного оркестру.

Джерела:

[1] G. Sluga and P. Simakachorn, “Ultrahigh-Frequency Primordial Gravitational Waves beyond the kHz: The Cosmic-String Case,” Phys. Rev. D 109, 103538 (2024).

[2] N. Aggarwal et al., “Challenges and opportunities of gravitational-wave searches at MHz to GHz frequencies,” Living Rev. Relativ. 24, 4 (2021).