В очень ранней Вселенной физика была странной. Процесс, известный как инфляция, в ходе которого Вселенная превратилась из одной бесконечно малой точки в то, что мы видим сегодня, был одним из таких примеров этой странной физики. Теперь ученые из Китайской академии наук проанализировали данные о пульсарах за 15 лет, чтобы наложить некоторые ограничения на то, как могла выглядеть физика в те далекие веремена.
Данные за 15 лет поступили из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн или NANOGrav. Цель NANOGrav — использовать нетрадиционный способ обнаружения гравитационных волн — путем наблюдения за пульсарами. Эти быстро вращающиеся объекты обычно используются в астрономии как «часы».
Еще в 1983 году пара астрономов (Рональд Хеллингс и Джордж Даунс) разработали метод, с помощью которого астрономы могли бы использовать массив этих пульсаров для проверки сдвигов, которые могут вызвать гравитационные волны.
Более поздние работы показали, что массивы синхронизации пульсаров, такие как NANOGrav, успешно идентифицируют особый тип гравитационных волн, известный как стохастический фон гравитационных волн (SGWB). Концепция SGWB аналогична космическому микроволновому фону — постоянному свечению ранней Вселенной, которое астрономы могут видеть как серию микроволн, исходящих со всех направлений одновременно.
В случае SGWB со всех направлений одновременно приходят гравитационные волны, а не микроволны. И их искривление пространства-времени можно обнаружить, если астрономы достаточно внимательно наблюдают за нужными пульсарами. Некоторые из источников этого искажения уходят корнями в период инфляции Вселенной.
Одна конкретная версия инфляции, кажется, хорошо соответствует модели SGWB. Этот тип инфляции, известный как инфляция «сверхмедленного скатывания» (USR), должна была бороться с силами трения в ранней Вселенной, и в результате образовалась серия сгустков материи, которая является источником сигналов SGWB, которые и видят NANOGrav, а также другие эксперименты с решеткой синхронизации пульсаров.
Однако потенциально существуют и другие объяснения того, откуда может исходить этот источник сигнала. В частности, идея вдохновляющей сверхмассивной двойной черной дыры была выдвинута в качестве еще одного потенциального источника результатов исследований.
Бо Му и его коллеги из Китайской академии наук опубликовали на сервере препринтов arXiv статью, которая, похоже, ответила на вопрос, откуда берутся фоновые гравитационные волны.
Для этого они использовали данные за 15 лет, полученные NANOGrav и собранные на телескопах. Согласно статье, ожидаемые волны от инфляции лучше соответствуют данным, собранным за этот длительный период, чем от двойных черных дыр или другой концепции, известной как «столкновение пузырей космологического фазового перехода».
Подгонка данных к моделям — одна из наиболее важных работ в сообществе теоретической физики. Эта статья является шагом в правильном направлении понимания новой физики гравитационных волн. Если предположить, что она пройдет через процесс рецензирования, за ней, вероятно, последуют многочисленные другие, например, подробное описание того, откуда взялся этот чудесный мир недавно открытых гравитационных волн.
Больше информации: Bo Mu et al, Constraints on ultra-slow-roll inflation with the NANOGrav 15-Year Dataset, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2310.20564