در سال ۲۰۲۳، فیزیکدانان از یافتن امواج تقریباً نامحسوس در تار و پود فضا و زمان شگفت زده شدند – که به عنوان موجودی به نام فضازمان متحد شده اند. آنها امواجی بودند که در ارتباط با مجموعهای از ستارههای نوترونی در حال چرخش به نام «آرایههای زمانبندی تپ اختر» کشف شدند.
این زمزمه پس زمینه با فرکانس پایین امواج گرانشی در جهان ما در ابتدا به یک تغییر یا یک ‘انتقال فاز’ نسبت داده شد که اندکی پس از انفجار بزرگ رخ داد. با این حال، تحقیقات جدید این فرض را مورد تردید قرار می دهد.
اندرو فاولی، استادیار در دانشگاه شیان جیائوتنگ-لیورپول، در بیانیه ای اعلام کرد: نظریه پردازان و تجربی گرایان حدس می زنند که امواج گرانشی نانوهرتز از یک انتقال شناخته شده که خیلی زود پس از انفجار بزرگ رخ داد – نشأت گرفته اند – تغییری که جرم همه ذرات بنیادی شناخته شده را ایجاد کرد. با این حال، کار ما مشکلات جدی را با توضیح جذاب منشأ آنها آشکار می کند.
انتقال فاز تغییرات ناگهانی در خواص یک ماده است و معمولاً زمانی رخ می دهد که یک ماده خاص به دمای بحرانی برسد. انتقال فاز که شاید برای ما آشناترین است، تبدیل آب به یخ است، زیرا دما به زیر صفر می رسد. همچنین مواردی وجود دارد که به عنوان انتقال های ‘فوق العاده سرد’ شناخته می شوند. با آب، یک انتقال فوق خنک زمانی رخ می دهد که ماده در فاز مایع خود ‘گیر’ می کند و تبدیل آن به یخ را کند می کند.
بسیاری از دانشمندان بر این باورند که یک ‘انتقال مرحله مرتبه اول’ در همان ابتدای زمان رخ داده است که باعث پرتاب امواج گرانشی یا امواج در فضا-زمان می شود. بنابراین، کارشناسان فکر میکنند که این امواج میتوانند برای تعیین شرایط موجود در اولین دوره تورم سریع در جهان ما، یا شاید حتی شرایط موجود قبل از انفجار بزرگ استفاده شوند.
فقط یک فاز؟ نگاهی به پیچیدگیهای مراحل زندگی
مفهوم امواج گرانشی به نظریه گرانش آلبرت انیشتین در سال ۱۹۱۵ تحت عنوان ‘نسبیت عام’ برمی گردد. این نظریه، اثرات اجسام با جرم را بر روی بافت فضازمان پیشبینی میکند. طبق این نظریه، تجربه فیزیکی ما از گرانش ناشی از این انحنا یا تاب برداشتن فضازمان است.
نسبیت عام فراتر از این نیز می رود، و همچنین نشان می دهد که وقتی اجسام شتاب می گیرند، امواجی در فضازمان ایجاد می کنند – با نام مستعار، امواج گرانشی. اگرچه این پدیده در مورد شتاب اجرام در مقیاسی که روی زمین میبینیم ناچیز است، اما زمانی که شتاب شامل اجرام کیهانی عظیمی مانند سیاهچالههای پرجرم و ستارههای نوترونی میشود، تأثیر آن قابل توجه میشود.
به عنوان مثال، هنگامی که این اجرام در سیستم های دوتایی وجود دارند – به این معنی که دو مورد از آنها دائماً در اطراف یکدیگر شتاب می گیرند – آنها به طور پیوسته امواج گرانشی را ساطع می کنند تا در نهایت با هم برخورد کنند و ‘جیغ’ بلندی از این امواج را منتشر کنند.
علاوه بر این، امواج گرانشی، مانند تابش الکترومغناطیسی، در طیف وسیعی از فرکانس ها قرار دارند. امواج گرانشی با فرکانس بالا، مانند نور با فرکانس بالا، طول موج کوتاهتری دارند و پرانرژیتر هستند. امواج گرانشی فرکانس پایین دارای طول موج بلندتری هستند و انرژی کمتری دارند. امواج گرانشی موج بلند فرکانس پایین همچنین دارای ‘دوره های’ طولانی هستند که به زمان بین یک قله موج از نقطه تنظیم تا قله بعدی که از آن نقطه عبور می کند اشاره دارد.
امواج گرانشی که توسط رصدخانه نانوهرتز آمریکای شمالی برای امواج گرانشی آرایه زمانبندی تپاختری (NANOGrav) در ژوئن ۲۰۲۳ شناسایی شد، فرکانس کمتری نسبت به امواج گرانشی مشاهده شده از ادغام ستارههای نوترونی و سیاهچالههای عظیم دارند که بهطور معمول توسط رصدخانه امواج گرانشی تداخلسنج لیزری (LIGO)، VIRGO، و KagRA شناسایی میشوند. .
این بدان معناست که باید منبع متفاوتی برای این امواج گرانشی نانوهرتز فرکانس پایین وجود داشته باشد. مظنون اصلی؟ یک انتقال فاز درست پس از انفجار بزرگ – به طور دقیق، یک انتقال فوق العاده.
فاولی توضیح داد: ما دریافتیم که برای ایجاد امواج با چنین فرکانسهای کوچکی، انتقال باید فوقالعاده باشد.
با این حال، یک مشکل وجود دارد. چنین فازهای انتقالی فوق سرد کیهانی در طول دوره تورم سریع کیهانی (به عبارت دیگر، انبساط جهان) که توسط انفجار بزرگ آغاز شده است، کمی غیرمنتظره خواهد بود.
فاولی گفت: این گذارهای آهسته برای به پایان رساندن مشکل خواهند بود، زیرا نرخ گذار از سرعت انبساط کیهانی پایینتر است. اگر انتقال در انتها سرعت بیشتری بگیرد چه؟
این محقق همچنین اضافه کرد که اگرچه امواج گرانشی نانوهرتز خنک هستند، اما احتمالاً منشأ «فوقسرد» ندارند.
فاولی گفت: «اگر این امواج گرانشی واقعاً از انتقالهای مرحلهای مرتبه اول میآیند، اکنون میدانیم که باید فیزیک جدید و بسیار غنیتری در جریان باشد – فیزیکی که هنوز درباره آن نمیدانیم.»
فاولی و همکارانش بر این باورند که تحقیقات آنها نشان میدهد که برای درک انتقالهای فاز فوقسرد، بهویژه آنهایی که میتوانستند در ابتدای جهان رخ داده باشند، به دقت بیشتری نیاز است.
او گفت: از آنجایی که اینها لزوماً انتقالهای آهسته هستند، سادهسازیهای معمول در مورد اینکه آیا انتقال کامل میشود یا خیر، کار نمیکند. ظرافتهای زیادی در ارتباط بین مقیاس انرژی انتقال و فرکانس امواج وجود دارد، بنابراین هنگام در نظر گرفتن امواج گرانشی و انتقالهای فوق سرد، به تکنیکهای دقیقتر و پیچیدهتری نیاز داریم.
‘درک این زمینه به ما کمک می کند تا اساسی ترین سوالات در مورد منشاء جهان را درک کنیم.’
درک بهتر انتقالهای فاز فوقسرد نیز میتواند به درک بیشتر انتقالهای فاز زمینی و کمتر کیهانی کمک کند.
Fowlie در پایان گفت: ‘همچنین پیوندهایی به برنامه هایی دارد که به خانه نزدیک تر هستند، مانند درک چگونگی جریان آب از طریق سنگ، بهترین راه ها برای نفوذ قهوه و چگونگی گسترش آتش سوزی ها.’
تحقیقات این تیم در مقاله منتشر شده در مجله Physical Review Letters مورد بحث قرار گرفته است.
