Teoretiske fortolkninger af pulsar timing data for nylig udgivet af NANOGrav

North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) er en gravitationsbølgedetektor, der overvåger områder i nærheden af ​​Jorden ved hjælp af et netværk af pulsarer (dvs. urlignende stjerner). Ved udgangen af ​​2020, NANOGrav-samarbejdet indsamlede beviser for udsving i timingdataene for 45 pulsarer, som kunne være kompatibel med et stokastisk gravitationsbølgebaggrundssignal (SGWB) ved nanohertz-frekvenser.

Disse gravitationsbølger kan potentielt være forbundet med fusioner af ekstremt massive sorte huller. Hold af teoretiske fysikere verden over, imidlertid, har givet alternative forklaringer på gravitationsbølgerne observeret af NANOGrav. Nogle grupper har foreslået, at de kunne være blevet produceret af supertætte filamenter kendt som kosmiske strenge, mens andre antog, at de kunne være blevet genereret under fødslen af ​​oprindelige sorte huller.

En kosmisk strengfortolkning af NANOGrav-dataene

John Ellis og Marek Lewicki, to forskere ved King's College London og University of Warszawa, for nylig tilbød en kosmisk strengteoretisk fortolkning af de nye NANOGrav-data. De viste, at SGWB-signalet, som NANOGrav kan have observeret, kunne produceres af et netværk af kosmiske strenge født i det tidlige univers. Forskerne teoretiserede, at dette netværk ville udvikle sig, efterhånden som universet udvider sig, producerer lukkede sløjfer, når strenge støder sammen. Disse sløjfer ville derefter langsomt henfalde til gravitationsbølger, hvilket resulterer i signalet detekteret af NANOGrav.

"Vi viste, at kosmiske strenge giver en meget god pasform til NANOGrav-signalet, lidt bedre end den mulige alternative kilde til supermassive sorte hul-binære filer, " sagde Ellis og Lewicki. "Desuden, vi viste, at vores hypotese vil være ligetil at teste i fremtidige gravitationsbølgeobservatorier såsom LISA."

"Vores forskning er baseret på mange års arbejde udført af mange grupper, der muliggjorde nøjagtige beregninger af gravitationsbølgesignalet produceret af kosmiske strenge, " Ellis og Lewicki fortalte Phys.org. "Vi gik i gang, så snart vi hørte om de lovende nye data fra NANOGrav-samarbejdet, at kontrollere, hvor god en kandidat et netværk af kosmiske strenge ville være til at forklare dataene."

Ellis og Lewickis papir påpeger, at universets ekspansionshistorie også er indkodet i signalet. Dette skyldes, at netværket af kosmiske strenge, de beskriver, ville udsende et signal gennem universets historie, og alle funktionerne i universets udvidelse ville efterlade et matchende aftryk på signalets spektrum, som derefter kunne undersøges af fremtidige detektorer.

"Takket være styrken af ​​det nødvendige signal til at forklare NANOGrav-dataene, dette ville gøre det muligt at undersøge universets historie tilbage til tider meget tidligere end tidligere antaget, berettiger til yderligere undersøgelse, " sagde Ellis og Lewicki. "Vi arbejder i øjeblikket mod AION og AEDGE, som er nye foreslåede eksperimenter, der i fremtiden kan undersøge en anden del af universets historie end NANOGrav eller LISA, og potentielt teste vores fortolkning af NANOGrav-dataene."

NANOGrav-signalet som det første bevis på kosmiske strenge

Parallelt med værket af Ellis og Lewicki, forskere ved Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) og CERN forsøgte også teoretisk at demonstrere, at gravitationsbølger fra kosmiske strenge er en velmotiveret og perfekt levedygtig forklaring på det pulsar timing-signal, som blev detekteret af NANOGrav. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , bygger på en række tidligere undersøgelser inden for gravitationsbølgeastronomi.

"Siden den banebrydende påvisning af gravitationsbølger af LIGO i 2015, feltet for gravitationsbølgeastronomi er fortsat med at gøre fremskridt i et imponerende tempo, " Kai Schmitz fra CERN, en af ​​avisens forfattere, fortalte Phys.org. "Så langt, alle observerede signaler var forårsaget af astrofysiske begivenheder såsom sammensmeltninger af binære sorte huller. Disse hændelser kaldes 'forbigående' og fører kun til kortvarige signaler i gravitationsbølgedetektorer. Det næste store skridt i gravitationsbølgeastronomi bliver derfor påvisningen af ​​en stokastisk 'baggrund' af gravitationsbølger, et signal, der konstant er til stede, når os fra alle retninger i rummet."

Påvisningen af ​​'baggrunds' gravitationssignaler kan være forbundet med en bredere række af astrofysiske og kosmologiske fænomener, lige fra binære fusioner til begivenheder, der fandt sted i det tidlige univers. Bemærkelsesværdigt, et sådant SGWB-signal kunne også være gravitationsbølgeækvivalenten til det kosmiske mikrobølgebaggrundssignal (CMB), som i bund og grund er eftergløden fra Big Bang i elektromagnetisk stråling og ved mikrobølgefrekvenser.

"Som partikelfysikere, vi er særligt interesserede i de oprindelige bidrag til SGWB, som lover at kode et væld af information om dynamikken i det tidlige univers og dermed partikelfysik ved de højeste energier, " sagde Schmitz. "Mulige kilder til primordiale gravitationsbølger kunne være kosmisk inflation, faseovergange i vakuumstrukturen i det tidlige univers og kosmiske strenge. I vores tidligere projekter, vi havde allerede undersøgt alle tre af disse muligheder."

I deres nylige undersøgelse, Schmitz og hans MPIK-kolleger Simone Blasi og Vedran Brdar antog, at pulsar-timingdata indsamlet af NANOGrav kunne være det første bevis på kosmiske strenge. Kosmiske strenge er teoretiseret til at være resterne af faseovergange ved ekstremt høje energier, muligvis tæt på energiskalaen for storslået forening (dvs. de energier, hvor alle de subatomære kræfter i naturen forudsiges at forene sig i en fælles kraft).

"I dette tilfælde, faseovergangen, der afføder kosmiske strenge, vil sandsynligvis ikke føre til et observerbart signal i selve gravitationsbølgerne, enten fordi det simpelthen ikke producerer noget nævneværdigt signal, eller fordi signalet er placeret ved høj, uobserverbare frekvenser, " sagde Schmitz. "Kosmiske strenge, imidlertid, resterne af faseovergangen, har en chance for at producere et stort signal i gravitationsbølger, hvis det opdages, kan fortælle os om de symmetrier og kræfter, der styrede universet i de første øjeblikke af dets eksistens."

I fortiden, fysikere har foreslået en række teoretiske modeller, der spekulerer i, hvilke typer af ny fysik, der kan give anledning til et netværk af kosmiske strenge i det tidlige univers. I nogle af deres tidligere studier, Schmitz, Blasi og Brdar fokuserede specifikt på ideen om, at kosmiske strenge kan være relateret til neutrinomassernes oprindelse og den kosmiske asymmetri mellem stof og antistof.

"Denne forbindelse mellem gravitationsbølger, kosmiske strenge og den såkaldte vippemekanisme, den mest undersøgte realisering af neutrinomassegenerering, blev udforsket i adskillige undersøgelser, både af os og andre hold, " sagde Schmitz. "Kosmiske strenge af denne type omtales som 'kosmiske B-L strenge, " da de er resultatet af en kosmologisk faseovergang, der fører til krænkelse af BL (B minus L) symmetri; hvor BL står for forskellen mellem baryon (B) og lepton (L) nummer. BL symmetri spiller en vigtig rolle i vippen mekanisme; kun "brud" af denne symmetri i det tidlige univers baner vejen for en fysisk tilstand af universet, hvor neutrinoer kan erhverve masse via vippemekanismen."

Schmitz og hans kolleger har allerede teoretiseret om gravitationsbølger, der kunne opstå fra kosmiske B-L strenge i et papir offentliggjort i 2020. I dette tidligere arbejde, de fokuserede specifikt på gravitationsbølgespektret ved højere frekvenser, udforske muligheden for at sondere særlige hjørner af parameterrummet, der er relevante fra vippemekanismens perspektiv.

"Da vi første gang hørte om det nye NANOGrav-resultat, vi var fuldt ud forberedte på at sammenligne vores forudsigelser for et kosmisk-streng-induceret gravitationsbølgesignal med signalet i NANOGrav-dataene, " sagde Schmitz. "Vi begyndte således straks at beregne gravitationsbølgespektret fra kosmiske strenge i nanohertz-frekvensområdet. I modsætning til vores analyse i april 2020, vi fokuserede ikke længere på kosmiske B-L strenge, men betragtet kosmiske strenge i en mere generel forstand, forbliver agnostiker over detaljerne om deres oprindelse ved meget høje energier."

I deres nylige undersøgelse, Schmitz, Blasi og Brdar ønskede at vise, at signalet observeret af NANOGrav kunne afspejle gravitationsbølgerne produceret af kosmiske strenge. I øvrigt, de forsøgte at kortlægge hele den levedygtige region i det kosmiske strengparameterrum, som ville tillade en at passe til dataene.

"På nuværende tidspunkt det er vigtigt at være forsigtig, da det endnu ikke er klart, om NANOGrav virkelig har detekteret en gravitationsbølgebaggrund, " sagde Schmitz. "Til dette formål, det er først nødvendigt at detektere et specifikt korrelationsmønster blandt timing-residualerne af individuelle pulsarer. Dette mønster kan afbildes som en graf, der viser korrelationen mellem par af pulsarer som funktion af den vinkel, der adskiller to pulsarer på himlen; denne graf er den berømte Hellings-Downs kurve."

For at bekræfte, at signalet detekteret af NANOGrav stammer fra gravitationsbølger, fysikere ville først skulle vise, at den er i overensstemmelse med Hellings-Downs kurven. Selvom dataene ser ud til at være nogenlunde på linje med denne fortolkning, forskere mangler endnu at indsamle tilstrækkelige beviser for, at Helling-Downs-mønsteret dukker op i dataene. Igangværende og fremtidige undersøgelser, imidlertid, kunne i sidste ende fastslå gyldigheden af ​​NANOGrav pulsar timing signalet og måle nogle af dets egenskaber med bedre præcision. Måling af NANOGrav-signalets egenskaber (f.eks. om den stiger/falder som funktion af frekvens og, hvis så, hvor hurtigt den stiger/falder) kunne hjælpe med at bestemme dens mulige kilder.

"Det eneste vi kan sige er, at på nuværende tidspunkt, gravitationsbølger fra kosmiske strenge er en perfekt levedygtig forklaring på signalet, " sagde Schmitz. "Kosmiske strenge resulterer i den rigtige amplitude A af signalet; de resulterer i et spektralindeks-gamma, der er perfekt i overensstemmelse med NANOGrav-grænserne på denne parameter; og de forudsagte gammaværdier er endda lidt (men kun en smule) bedre i overensstemmelse med dataene end værdien gamma =13/3 forudsagt af supermassive sorte hul-binære filer."

Samlet set, undersøgelsen udført af Schmitz, Blasi og Brdar demonstrerer teoretisk, at kosmiske strenge kunne være en levedygtig forklaring på NANOGrav-signalet. I øvrigt, forskerne viste, at fortolkningen af ​​kosmiske strenge virker for en lang række af de to kosmiske strengparametre, som de fokuserede på i deres papir:den kosmiske strengspænding Gmu og den kosmiske strengsløjfestørrelse alfa.

"Dette gør fortolkningen af ​​kosmiske strenge fleksibel og åbner op for mange muligheder med hensyn til den mulige oprindelse af de kosmiske strenge, " Schmitz forklarede. "Store sløjfer med en lille spænding kan forklare signalet, mindre sløjfer med en noget større spænding kan forklare signalet, etc."

Ud over teoretisk at demonstrere, at NANOGrav-signalet kunne afspejle kosmiske strenge, forskerne viste, at fremtidige gravitationsbølgeeksperimenter ved højere frekvenser vil undersøge et stort levedygtigt parameterrum. Dette fund tyder på, at gravitationsbølger fra kosmiske strenge kan være et ideelt benchmark for multifrekvens gravitationsbølgeastronomi.

"I modsætning til mange andre forklaringer på NANOGrav-signalet, vi forudsiger, at kosmiske strenge også vil føre til et signal, der vil blive observeret i rumbaserede og næste generations jordbaserede eksperimenter, " sagde Schmitz. "Dette aspekt af vores fortolkning fremhæver komplementariteten af ​​disse målinger ved lave og høje frekvenser. En positiv detektion ved høje frekvenser vil især give en mulighed for at rekonstruere ekspansionshistorien for det tidlige univers."

Parameteren Gmu, karakteriserer den kosmiske strengspænding, eller energi pr. længdeenhed, kan oversættes til et skøn over den energiskala, hvor kosmiske strenge angiveligt er blevet dannet i det tidlige univers. Gmu-værdierne, som Schmitz og hans kolleger fandt i deres analyse, peger på en energiskala i intervallet fra 10 ¹⁴ til 10 ¹⁶ GeV.

"Dette er typiske værdier, som man også møder i store forenede teorier (GUT'er), der beskriver foreningen af ​​subatomare kræfter ved meget høje energier, " forklarede Schmitz.

"Vores resultater er derfor i overensstemmelse med ideen om storslået forening og brydningen af ​​visse symmetrier i det tidlige univers, der resulterer i skabelsen af ​​et netværk af kosmiske strenge."

Mens de teoretiske analyser udført af dette hold af forskere er meget indsigtsfulde, det er vigtigt at bemærke, at modeller af gravitationsbølgesignalet, der ville blive produceret fra kosmiske strenge, er forbundet med nogle teoretiske usikkerheder. For eksempel, to af de mest udbredte tilgange til at studere kosmisk strengdynamik i storskala computersimuleringer, nemlig "Nambu-Goto-strengene" og "Abelian Higgs-strengene" nærmer sig, ikke altid fører til de samme resultater.

"I vores arbejde vi gør brug af simuleringer af Nambu-Goto strenge, " tilføjede Schmitz. "På lang sigt, det ville være interessant at løse uoverensstemmelsen mellem disse to tilgange, hvilken, imidlertid, er en meget udfordrende opgave. I mellemtiden, vi planlægger derfor at fortsætte i mindre trin og successivt forbedre Nambu-Goto-beskrivelsen af ​​kosmiske strenge."

I Nambu-Goto-tilnærmelsen, kosmiske strenge er mere eller mindre funktionsløse, da de beskrives som endimensionelle objekter, der bærer en vis mængde energi pr. længdeenhed.

Denne repræsentation afspejler måske ikke faktisk egenskaberne af kosmiske strenge i virkelige scenarier.

"Kosmiske strenge kan faktisk bære en elektrisk strøm, de kan tabe energi via emission af elementarpartikler ud over emission af gravitationsbølger, etc., " sagde Schmitz. "I vores næste undersøgelser, vi planlægger derfor at redegøre for disse raffinementer trin for trin og undersøge, hvordan disse mere sofistikerede aspekter kan manifestere sig i gravitationsbølgespektret. På samme tid, vi tror ikke på, at disse raffinementer vil vælte vores kosmiske strengfortolkning af NANOGrav-signalet."

NANOGrav-dataene som en indikation af primordiale sorte huller

Nogle forskere er også kommet med forklaringer på NANOGrav-dataene, der ikke ser signalet i sammenhæng med kosmiske strenge. For eksempel, et hold ved Université de Genève foreslog, at et sådant SGWB-signal også kunne genereres ved dannelsen af ​​primordiale sorte huller fra de forstyrrelser, der blev genereret, når universet udvidede sig.

"Vi gav en mulig fortolkning af fællesspektrumsignalet, som induceret af gravitationsbølger genereret i det tidlige univers i forbindelse med fødslen af ​​primordiale sorte huller, som er sorte huller dannet i tidlige epoker under universets udvikling, "Antonio Riotto, Valerio De Luca og Gabriele Franciolini, de tre forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org via e-mail. "Primordiale sorte huller med masser ikke langt fra asteroidernes typiske masse kan omfatte helheden af ​​det mørke stof i universet og, deres dannelsesproces efterlader en stokastisk baggrund af gravitationsbølger, der forklarer NanoGrav-dataene."

Ifølge Riotto, De Luca og Franciolini, ideen om, at alt det mørke stof i universet er lavet af primordiale sorte huller, og det faktum, at deres dannelse skulle efterlade et SGWB-signal svarende til det, der blev opdaget af NANOGrav, kan virke uafhængigt, alligevel kunne de forbindes på interessante måder. For eksempel, hvis oprindelige sorte huller udgjorde hele det mørke stof i universet, det ville ikke være nødvendigt at komme med spekulative forklaringer for at beskrive eller forklare eksistensen af ​​mørkt stof, da det faktisk ville være sammensat af 'almindeligt' stof, som fysikere allerede er bekendt med.

"Ja, hvis det mørke stof er lavet af oprindelige sorte huller, man behøver ikke at påberåbe sig nogle spekulative forklaringer for at forklare det mørke stof:Primordiale sorte huller er, faktisk, lavet af det samme almindelige stof, vi kender, " forklarede forskerne. "Vores undersøgelse giver en økonomisk forklaring på det signal, der blev opdaget af NANOGrav-samarbejdet med en elegant forbindelse til søgen efter mørkt stof, som kunne undersøges yderligere ved hjælp af fremtidige gravitationsbølgeeksperimenter som LISA, et ruminterferometer."

Gravitationsbølgens baggrund signalerer, at De Luca, Franciolini og Riotto forudsagde, at de ville blive produceret af primordiale sorte huller, kunne snart undersøges i andre frekvensområder (f. omkring milliHertz-frekvenser). I deres næste studier, forskerne planlægger således at søge efter beviser for eksistensen af ​​primordiale sorte huller genereret i det tidlige univers ved at analysere nye gravitationsbølgedata i andre frekvenser.

"I særdeleshed, vi ønsker at lave forudsigelser for mængden af ​​gravitationsbølger, der vil blive opdaget i fremtidige eksperimenter, såsom LISA eller European Einstein Telescope, en underjordisk detektor, vil opdage, " sagde forskerne.

I den nærmeste fremtid, NANOGrav-samarbejdet vil forsøge at bekræfte gyldigheden af ​​det signal, det detekterede. I mellemtiden teoretiske fysikere verden over arbejder stadig på adskillige interessante teorier, der kan forklare karakteren af ​​dette signal. Papirerne udgivet af disse hold på Max-Planck-Institut für Kernphysik, CERN, King's College London, universitetet i Warszawa og Université de Genève tilbyder særligt bemærkelsesværdige fortolkninger, som kunne bekræftes eller afkræftes af fremtidige undersøgelser.

© 2021 Science X Network