Загадочные очень низкочастотные гравитационные волны могут открыть новую физику

Гравитационный фон Вселенной, зафиксированный обсерваторией NANOGrav в 2023 году, может указывать на существование неизвестных физических процессов. Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, ставит под сомнение популярную гипотезу о том, что источником этих низкочастотных волн является фазовый переход, произошедший сразу после Большого взрыва. Ученые обнаружили несоответствие между скоростью такого гипотетического перехода и темпами расширения ранней Вселенной.

Проблема «сверхмедленного» перехода

Гравитационные волны в наногерцовом диапазоне, обнаруженные NANOGrav, имеют частоту, значительно ниже той, что порождается известными источниками — например, слияниями сверхмассивных черных дыр. Одним из главных кандидатов на объяснение считался фазовый переход первого порядка, который должен был изменить состояние материи в первые мгновения после рождения Вселенной. Однако анализ показал, что для генерации столь низких частот этот переход должен был быть «сверхохлажденным» — то есть протекать аномально медленно.

Парадокс заключается в том, что скорость такого замедленного перехода оказывается ниже скорости расширения самой Вселенной. По словам соавтора исследования Эндрю Фаули, это делает гипотезу крайне уязвимой: переход просто не успел бы завершиться в отведенное космологическое время. Даже если предположить, что процесс ускорился на финальной стадии, частота порожденных волн превысила бы наблюдаемый наногерцовый диапазон.

Следы новой физики

Отбрасывая стандартное объяснение, исследователи приходят к выводу, что природа сигнала NANOGrav может быть связана с неизвестными механизмами. Если эти волны действительно порождены фазовым переходом, то он должен подчиняться законам физики, выходящим за рамки Стандартной модели. Альтернативные гипотезы, такие как космические струны или первичные черные дыры, также остаются в силе, но требуют дополнительной проверки.

Полученные результаты подчеркивают необходимость разработки более сложных моделей для изучения ранней Вселенной. Понимание природы этих гравитационных волн может пролить свет не только на космологические процессы, но и на фундаментальные свойства материи, а также на, казалось бы, далекие от астрофизики явления — например, на механизмы распространения лесных пожаров или фильтрацию воды в горных породах.

Обнаружение NANOGrav стало первым прямым свидетельством существования гравитационного фона Вселенной. До этого гравитационные волны фиксировались только от единичных катастрофических событий — слияний черных дыр и нейтронных звезд. Новый сигнал представляет собой постоянный «шум», который может хранить информацию о самых ранних этапах эволюции космоса, недоступных для наблюдения другими методами.