4 Minuten
Gravitacinės bangos – erdvėlaikio raibuliai – galėjo atlikti daug didesnį vaidmenį nei tik ženklinti audringus astrofizinius įvykius. Naujas teorinis modelis teigia, kad šios tensorinės būsenos fluktuacijos galėjo paskatinti ankstyvąjį Visatos plėtimąsi ir sukurti pradines tankio netolygumus, iš kurių vėliau susiformavo žvaigždės, galaktikos ir juodosios skylės. Šis modelis, vietoje nesurasto hipotezinio lauko pasiūlydamas pačios gravitacijos ir kvantinių fluktuacijų poveikį, siekia pateikti paprastesnę ir patikrinamą Visatos kilmės paaiškinimą.
Mokslinis kontekstas: infliacija, inflatono problema ir nauji stebėjimai Įprastas kosmologinis modelis remiasi trumpu ekspansinio plėtimosi periodu, vadinamu infliacija, kuris išlygino ir ištempė Visatą netrukus po Didžiojo sprogimo, prieš maždaug 13,8 milijardo metų. Tradiciniai infliaciniai modeliai dažniausiai daro prielaidą apie skaliarinį lauką – dažnai vadinamą inflatonu – kuris palaiko šį plėtimąsi ir inicijuoja tankio netolygumus, vėliau pavirstančius kosmine struktūra.
Nors daug kas stebima atitinka inflatonu grįstus modelius, pats infliatonas kol kas nėra aptiktas jokiame eksperimentiniame stebėjime. Be to, naujausi Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) duomenys atskleidė ypatingai masyvias galaktikas daug ankstesniu laikotarpiu nei prognozuota, todėl tyrėjai atnaujino diskusijas apie kosminės struktūros formavimosi greitį ankstyvojoje Visatoje.
Naujas požiūris: de Siterio erdvė, tensorinės perturbacijos ir gravitacinės bangos Naujo darbo autorių pasiūlymas grindžiamas supaprastintu, stebėjimams neprieštaraujančiu kosmologiniu fonu – de Siterio erdve. Šis bendrosios reliatyvumo teorijos sprendinys tinkamas apibūdinti greitėjantį ankstyvosios Visatos plėtimąsi. Šiame foniniame lauke pačios metrikos kvantinės fluktuacijos generuoja tensorines perturbacijas – gravitacines bangas, kylančias dėl kvantinių erdvėlaikio svyravimų.
Užuot įvedus naują skaliarinį lauką, tyrėjai parodė, kaip būtent šios tensorinės būsenos svyravimai gali skatinti plėtimąsi bei generuoti pradines netolygumus ankstyvajame plazmos periode. Kitaip tariant, gravitacinės bangos nebūtų tik pasyvūs raibuliai, bet ir aktyvūs procesai, perskirstantys energiją ir tankį infliacijos metu. Ilgainiui šie tankio skirtumai užauga ir tampa pirmųjų žvaigždžių, galaktikų ar juodųjų skylių užuomazgomis.
Kaip gravitacinės bangos sukuria tankio fluktuacijas Gravitacinės bangos perneša energiją ir impulsą, todėl ankstyvojoje Visatoje gali sukelti anizotropinius įtempius. Kai de Siterio fonas stiprina tensorinių perturbacijų amplitudę, galima sulaukti išmatuojamų vietinių energijos tankio skirtumų. Šios sukeltos fluktuacijos veikia panašiai kaip skaliarinės perturbacijos įprastuose infliacijos scenarijuose ir duoda pradines per tankius regionus, kurie vėliau formuoja Visatos struktūrą dėl gravitacinių nestabilumų.
Šis mechanizmas remiasi jau žinoma fizika – bendrąja reliatyvumo teorija ir kvantiniu laukų teorija – todėl nereikia prielaidų apie dar neaptiktas daleles. Pasak tyrimo vadovo, Barselonos universiteto teoretinio astrofiziko Raúl Jiménez, šis modelis įdomus, nes spekuliatyvius infliacijos elementus pakeičia gravitacijos ir kvantinių efektų, principingai galinčių būti patikrintų, veikimas.
Stebėjimų patikra ir eksperimentai Didžiausias šio modelio privalumas – aiškios prognozės stebėjimams. Pradinių tensorinių fluktuacijų pasiskirstymas ir amplitudė veikia kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės (CMB) poliarizaciją, ypač žadindama būdingus B-pobūdžio signalus. Aukštai jautrūs eksperimentai, pvz., Simons Observatory, CMB-S4 ir kiti būsimi projektai, gali įvertinti tensorinį indėlį.
Papildomi stebėjimai apima tiesiogines stochastinio gravitacinių bangų fono paieškas, naudojant kosminių interferometrų tinklus (pavyzdžiui, LISA), žemės ir pulsarų laikrodžių matavimus (LIGO/Virgo/KAGRA, NANOGrav, IPTA). Jei egzistuoja tinkamų savybių pradinis tensorinis fonas, jo spektras ir amplitudė turėtų būti aptinkami arba bent ribojami šių įrenginių pagalba.
Ryšys su JWST ir ankstyvąja galaktikų formacija Jei gravitacinės bangos sukėlė didesnius pradinius tankio skirtumus nei įprastinė, nuo skaliarinio lauko priklausoma infliacija, tai galėtų paaiškinti JWST atrastas stambias galaktikas didelėse raudonojo poslinkio reikšmėse. Spartesnis struktūrų susidarymas pagal tensorinį modelį sumažintų įtampą tarp stebėjimų ir tradicinių galaktikų raidos scenarijų.
Prasmė, ribojimai ir tolesni žingsniai Patvirtinus šį modelį, sumažėtų priklausomybė nuo nežinomos infliacijos dalelės ir infliacija būtų aiškinama natūraliai kylančiomis tensorinėmis modomis iš kvantinio gravitacijos veikimo greitėjančiame fone. Vis tik reikia detalių numerinių analizų ir tiksliai palyginti prognozes su aukštos raiškos kosmologiniais duomenimis. Esminiai uždaviniai – apskaičiuoti prognozuojamą skaliarinių ir tensorinių modų santykį, išanalizuoti pradinių fluktuacijų spektrą ir jų ženklus CMB poliarizacijoje bei didelio masto Visatos struktūroje.
Ateities stebėjimų rezultatai iš kosminio fondo poliarizacijos, gravitacinių bangų fono paieškų ir tolesni gilių dangaus stebėjimų (pvz., JWST) gali tapti lemiami. Modelio patikrinamumas, išreiškiamas pro stebimus tensorinius ženklus, daro jį ypač patrauklų moksliniu požiūriu.
Išvados Naujas teorinis modelis siūlo, kad gravitacines bangas ankstyvoje de Siterio tipo Visatoje sukėlė tensorinės perturbacijos, galėjusios nulemti tiek kosminę infliaciją, tiek pradines tankio fluktuacijas, iš kurių užaugo pirmosios kosminės struktūros. Remiantis gravitacijos ir kvantinių fluktuacijų poveikiu, o ne hipotetiniu infliacijos lauku, ši idėja išlieka konceptualiai taupi ir eksperimentinei patikrai tinkama. Būsimi kosminės foninės spinduliuotės poliarizacijos tyrimai, gravitacinių bangų astronomija ir gilieji dangaus stebėjimai padės nustatyti, ar ankstyvąją Visatą išties formavo erdvėlaikio raibuliai.
Quelle: journals.aps
Kommentare