Загадка фазового перехода первого порядка

В 2023 году учёные из Североамериканской Наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav) сделали знаковое открытие, обнаружив слабую низкочастотную рябь в структуре пространства и времени. Этот фоновый шум гравитационных волн интерпретировали как следствие фазового перехода, который произошёл сразу после Большого взрыва. Однако новые исследования ставят под сомнение эту первоначальную версию.

По словам доцента Сиань Цзяотон-Ливерпульского университета Эндрю Фаули, действующая теория предполагает, что появление гравитационных волн в наногерцовом диапазоне связано с фазовым переходом, произошедшим вскоре после Большого Взрыва. В результате этого процесса у всех известных частиц во Вселенной появилась масса.

Однако новая работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, выявила серьезные несоответствия в данной теории.

Что такое фазовый переход?

Фазовые переходы – это резкое изменение свойств вещества. Обычно они происходят, когда вещество достигает критической температуры. Все мы знаем пример такого фазового перехода - превращение воды в лед при падении температуры ниже нуля. В контексте ранней Вселенной существует теория "фазового перехода первого порядка", который создал рябь в пространстве-времени и запустил первые гравитационные волны. Эти волны могут служить важным инструментом для изучения условий периода быстрой космической инфляции, а также для понимания процессов, происходивших до самого Большого Взрыва.

Что такое гравитационные волны?

Гравитационные волны — это один из самых захватывающих аспектов современной физики, который был предсказан в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Теория великого физика говорит, что объекты, обладающие массой, оказывают искажающее воздействие на саму структуру пространства-времени из-за чего возникает наше физическое восприятие гравитации. Это искажение, возникающее в результате движения массивных тел, приводит к образованию волн, которые распространяются по Вселенной. Таким образом, гравитационные волны можно представить как рябь на поверхности воды, вызванную бросанием камня.

Диаграмма, иллюстрирующая спектр гравитационных волн.

Гравитационные волны имеют широкий диапазон частот. Высокочастотные гравитационные волны, как правило, возникают при катастрофических космических событиях, таких как слияние черных дыр. Эти волны характеризуются короткими длинами волн и высокой энергией, что делает их трудными для обнаружения, но очень информативными для астрономов. Напротив, низкочастотные гравитационные волны имеют более длинные длины волн и меньшую энергию, что делает их более «мягкими» и менее заметными.

Открытые в 2023 году учеными NANOGrav гравитационные волны были низкочастотными. Тогда теоретики предположили, что их источником стал фазовый переход первого порядка, произошедший вскоре после Большого взрыва.

"В своей работе мы определили, что для появления таких низкочастотных волн переход должен был быть сверхохлажденным", - говорит Фаули.

Сверхохлажденный фазовый переход — это физический процесс, который происходит, когда система переходит из одного состояния в другое с высокой скоростью и неравномерно. Это явление можно наблюдать на примере замерзания воды. В обычных условиях вода начинает превращаться в лёд при достижении нуля градусов Цельсия, однако, в некоторых случаях она может оставаться в жидком состоянии даже при температуре ниже этой отметки, а затем с малым возмущением внезапно превращается в лёд.

"Скорость фазового перехода медленнее, чем скорость расширения Вселенной. Мы также предположили, что переход мог ускориться, чтобы успеть завершиться, но тогда частота его волн сместилась бы в сторону от наногерц, - заключает Фаули. – Но если все же эти гравитационные волны являются следствием фазовых переходов первого рода, значит мы имеем дело с какой-то новой физикой».