В первые мгновения после Большого взрыва космическое нарушение симметрии разделило горячую плазму на области с разными вакуумами — наинизшими энергетическими состояниями поля. Мир напоминал гигантскую мыльную пену: каждый пузырь-вселенная обладал собственным вакуумом, а между пузырями натянулись доменные стенки — пространственные дефекты, похожие на плёнки с огромной поверхностной энергией. Толщина стенки меньше атома. Энергия заключена колоссальная.
Если бы все пузыри были совершенно одинаковы, сетка стенок росла бы бесконечно. Уже к моменту появления первых звёзд она заполнила бы всю видимую Вселенную, грубо нарушив закон расширения Хаббла. К счастью, природа редко бывает идеально симметричной. Даже ничтожный начальный перекос — популяционный биас, когда один сорт вакуума изначально встречается чуть чаще, — заставляет плёнку рваться. Как натянутый мыльный пузырь лопается от прикосновения, так и доменные стенки аннигилируют, отдавая энергию в гравитационные волны и другие поля.
Авторы работы впервые проследили судьбу популяционно-смещённой сети с помощью численного моделирования на решётке. Динамика скалярного поля отслеживалась в расширяющейся Вселенной на коде CosmoLattice, дополненном техникой «раздувания» — искусственного поддержания физической ширины стенки, чтобы не терять разрешение. Моделирование показало: рост перекоса идёт по степенному закону B ~ $B_s$ (η/$η_s$)^p, где p ≈ 1.37, а время аннигиляции обратно степенно зависит от начального биаса: $η_{ann}$ ∝ $B_s^{–0.8}$. Чем меньше изначальная асимметрия, тем дольше живут стенки, но исчезают неизбежно.
При схлопывании стенки излучают мощный гравитационно-волновой спектр с характерной изломанной формой: крутой инфракрасный подъём (∝ $f^3$), плавный ультрафиолетовый спад (∝ $f^{-1}$) и пик на частоте примерно вдвое выше хаббловской в момент генерации. Интегральная эффективность конверсии энергии в гравитационные волны достигает 6% — лишь вдвое ниже, чем у механизма с явным нарушением симметрии в потенциале. Примечательно, что форма спектра почти не зависит от величины начального перекоса, что делает предсказание робастным.
Этот сигнал уже пригоден для поиска. Сети пульсарного тайминга (PTA) и наземные интерферометры LIGO-Virgo-KAGRA, у истоков которых стоял Райнер Вайсс, способны выделить подобный стохастический фон. Универсальность спектра открывает путь к проверке широкого класса теорий, в том числе моделей с калибровочной симметрией, где явный потенциальный биас запрещён. Яркий пример — механизм Печчеи-Квинн (Роберто Печчеи и Хелен Квинн), решающий сильную CP-проблему аксионами; здесь популяционный перекос становится едва ли не единственным способом убрать стены.
Так рвущаяся с одной стороны космическая мыльная плёнка оставляет после себя слабый, но уловимый след — фоновый гул гравитационных волн. Его форма уже вычислена. Осталось настроить антенны.
Толщина доменной стенки может быть меньше размера атомного ядра, но её поверхностная энергия эквивалентна массе в миллиарды тонн на квадратный метр. Прохождение такой стены сквозь Землю ощущалось бы как землетрясение планетарного масштаба.
Идея разделённых вакуумов перекликается с мирами «Хроник Амбера» Роджера Желязны, где между реальностями существуют Тени, а переход сквозь них требует усилий. Здесь же переходы между вакуумами оказываются нестабильными и схлопываются сами, оставляя лишь воспоминание — в виде гравитационного эха.