Hvisker fra den mørke side:Hvad kan gravitationsbølger afsløre om mørkt stof?

NANOGrav Collaboration fangede for nylig de første tegn på meget lavfrekvente gravitationsbølger. Prof. Pedro Schwaller og Wolfram Ratzinger analyserede dataene og, i særdeleshed, overvejet muligheden for, om dette kan pege i retning af ny fysik ud over Standardmodellen. I en artikel offentliggjort i tidsskriftet SciPost Fysik , de rapporterer, at signalet er i overensstemmelse med både en faseovergang i det tidlige univers og tilstedeværelsen af ​​et felt af ekstremt lette axion-lignende partikler (ALP'er). Sidstnævnte anses for at være lovende kandidater til mørkt stof.

Gravitationsbølger åbner et vindue ind i det tidlige univers. Mens den allestedsnærværende kosmiske mikrobølgebaggrund ikke giver nogen fingerpeg om de første 300, 000 år af vores univers, de giver nogle glimt af, hvad der skete under Big Bang. "Det er netop dette meget tidlige univers, der er så spændende for partikelfysikere, " forklarer Pedro Schwaller, Professor i teoretisk fysik ved PRISMA+ Cluster of Excellence ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). "Dette er det tidspunkt, hvor de elementære partikler som kvarker og gluoner er til stede, og derefter kombinere for at danne byggestenene i atomkerner."

Det særlige ved gravitationsbølgerne, som NANOGrav-samarbejdet har opdaget for første gang, er, at de har en meget lav frekvens på 10 ^-8 Hertz, hvilket svarer til cirka en svingning om året. På grund af deres tilsvarende store bølgelængde, For at kunne detektere dem skal enhver detektor også være lige stor. Da en sådan detektor ikke er mulig her på Jorden, astronomerne på NANOGrav bruger fjerne pulsarer og deres lyssignaler som enorme detektorer.

Wolfram Ratzinger skitserer motivationen bag deres arbejde:"Selvom dataene indtil videre kun giver os et første hint om eksistensen af ​​lavfrekvente gravitationsbølger, det er stadig meget spændende for os at arbejde med dem. Dette skyldes, at sådanne bølger kunne produceres af forskellige processer, der fandt sted i det tidlige univers. Vi kan nu bruge de data, vi allerede har til at beslutte, hvilke af disse kommer i betragtning, og hvilke der slet ikke passer til dataene."

Som resultat, de Mainz-baserede videnskabsmænd besluttede at se nærmere på to scenarier, der kunne have forårsaget de observerede gravitationsbølger:Faseovergange i det tidlige univers og et mørkt stoffelt af ekstremt lette aksionslignende partikler (ALP'er). Faseovergange som disse opstår på grund af den faldende temperatur i ursuppen efter Big Bang og resulterer i massive turbulenser - dog ligesom mørkt stof er de ikke omfattet af standardmodellen.

Baseret på de tilgængelige data, Pedro Schwaller og Wolfram Ratzinger fortolker resultaterne af deres analyse med relativ forsigtighed:"Måske lidt mere sandsynligt er det tidlige faseovergangsscenarie." På den anden side, de to fysikere mener, at det faktum, at de kun er i stand til at udarbejde visse muligheder baseret på begrænsede data, beviser potentialet i deres tilgang. "Vores arbejde er det første, men vigtig udvikling – det giver os en masse tillid til, at vi med mere præcise data kan drage pålidelige konklusioner om den besked, gravitationsbølger sender os fra det tidlige univers."

"Desuden, " slutter Pedro Schwaller, "Vi kan allerede begynde at fastlægge visse karakteristika ved scenarierne og sætte begrænsninger på dem, i vores tilfælde styrken af ​​faseovergangen og massen af ​​aksionerne."