Как ученые слушают симфонию скалярных полей с помощью гравитационных волн?

Вселенная — это не застывшая картина, а непрерывно развивающийся спектакль, полный загадок и грандиозных событий. Одно из таких событий — Большой взрыв — породило не только материю и энергию, но и рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны.

Долгое время эти волны оставались неуловимыми, пока в 2015 году коллаборация LIGO-Virgo не зафиксировала сигнал от слияния черных дыр. Это открытие ознаменовало новую эру в астрономии — эру гравитационно-волновых наблюдений.

Сегодня, подобно пытливым археологам, ученые ищут следы гравитационных волн, которые могли возникнуть в первые мгновения существования Вселенной. Особенно ценными являются так называемые стохастические гравитационно-волновые фоны (SGWB) — своеобразный гул, созданный множеством наложившихся друг на друга волн от разных источников.

Недавние данные, полученные коллаборациями NANOGrav, EPTA+InPTA, PPTA и CPTA, указывают на возможный SGWB космического происхождения. Это открытие открывает фантастические возможности для изучения эпохи, предшествовавшей формированию первых атомов, — таинственной эпохи, которую ученые называют «первобытными темными веками».

Среди множества гипотез, объясняющих происхождение SGWB, особое место занимает теория параметрического резонанса, возникающего при колебаниях скалярных полей в ранней Вселенной.

Представьте себе спокойную гладь озера, на которую упал камень. От точки падения расходятся круги — волны, распространяющиеся по поверхности воды. А теперь вообразите, что камней падает множество, и каждый из них порождает свои круги. В результате мы увидим сложную картину интерферирующих волн — это и есть аналогия стохастического фона.

В роли «камней», возмущающих пространство-время, в ранней Вселенной могли выступать скалярные поля. Эти поля, подобно невидимым струнам, пронизывают пространство и обладают энергией, способной порождать гравитационные волны.

В своей работе группа ученых из США, Японии и Испании исследовала динамику скалярных полей, используя сложные компьютерные модели. Они обнаружили, что в зависимости от массы и взаимодействия скалярных полей, параметрический резонанс может приводить к образованию SGWB, доступного для наблюдения существующими и будущими гравитационно-волновыми детекторами, такими как LISA и LIGO/ET/CT.

Удивительно, но исследованные модели не только предсказывают наличие SGWB, но и предлагают естественное объяснение для ряда других космологических загадок. Например, в моделях с массивным скалярным полем, остаточное поле может играть роль темной материи — невидимой субстанции, составляющей значительную часть массы Вселенной. В то же время, модели с безмассовыми скалярными полями предсказывают наличие темного излучения, которое может быть обнаружено при изучении реликтового излучения Вселенной.

Таким образом, исследование гравитационно-волнового фона становится ключом к пониманию не только ранних этапов эволюции Вселенной, но и природы таких фундаментальных компонентов нашего мира, как темная материя и темная энергия.

Это лишь первые шаги в новом направлении исследований, но уже сейчас очевидно, что гравитационно-волновая астрономия способна приоткрыть завесу тайны над самыми фундаментальными вопросами о происхождении и строении нашей Вселенной.