гравитационные волны от космических струн

Космологи подобны картографам, только вместо гор и рек они наносят на карту невидимые силы. Тёмная энергия — загадочная субстанция, заставляющая Вселенную расширяться с ускорением, — остаётся одной из главных загадок. Одна из гипотез — модель «кинетического гравитационного переплетения» (KGB).

Сразу после Большого взрыва пространство остывало неравномерно. В некоторых местах могли возникнуть топологические дефекты — складки пространства, тонкие, как волос, но невероятно плотные нити энергии. Физики называют их космическими струнами.

В первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная была ареной стремительных перемен. Представьте натянутую резиновую пленку, которая быстро остывает и покрывается микроскопическими трещинками. Похожий процесс в космическом масштабе мог породить космические струны — тончайшие, но сверхплотные нити энергии, протянувшиеся через всю Вселенную.

Ранняя Вселенная напоминала стремительно остывающий океан. При колоссальных температурах всё было единым — кварки, электроны, взаимодействия сливались в симметричный «пар». Но по мере расширения и охлаждения этот пар конденсировался, фазовые переходы сменяли друг друга, словно вода превращается в лёд.

Гитарная струна, если её тронуть, задрожит и быстро затихнет. А теперь — струна космическая. Тончайшая нить чистой энергии, оставшаяся после Большого взрыва, в триллионы раз тоньше атома и плотнее нейтронной звезды. Ударь по ней — и она может петь миллиарды лет. В новой работе физики рассмотрели особый тип колебаний. Не поперечные дрожания, а волны, бегущие вдоль самой струны, словно звук по натянутому канату.

Когда далёкая галактика посылает нам свет, он ослабевает с расстоянием — и по этому ослаблению можно узнать, как далеко она находится. Примерно так же работают гравитационные волны: чем дальше их источник, тем слабее дрожь пространства, которую ловят детекторы на Земле.

Четырнадцатого мая 2019 года детекторы LIGO зарегистрировали гравитационный всплеск, который не вписывался в обычные рамки. Событие GW190521 предстало как столкновение двух чёрных дыр массами 85 и 66 солнц. Итоговая дыра в 142 солнечные массы угодила прямо в «запрещённый» диапазон — туда, где звёздные коллапсы почти не оставляют следов.

Вселенная не просто расширяется — она звучит. После Большого взрыва в её ткани остались натянутые струны — тонкие, как протон, но тяжёлые, словно горный хребет. Их колебания рождают гравитационные волны, и в этом излучении, как в нотной записи, зашифрована история фундаментальных симметрий.

Сразу после Большого взрыва, в бурлящем котле остывающей Вселенной, словно в неравномерно застывающем стекле, возникали напряжения — тончайшие трещины реальности, космические струны. Представьте канатоходца, балансирующего на невидимом тросе, перекинутом через бездну искривленного пространства-времени.

Басовая струна, которую дёрнули в момент Большого взрыва, не просто гудит на одной ноте — по ней бегут волны, и время от времени от неё отрываются крошечные колечки-петли. Эти петли, словно камертоны, начинают звенеть на собственной частоте, создавая очень высокий звук. В масштабах Вселенной «звук» — это рябь на ткани пространства-времени, которую называют гравитационными волнами.

Магнит, поднесённый к горсти железных опилок, выстраивает их вдоль невидимых линий — так поле огибает магнит от полюса к полюсу. Похожим образом можно увидеть и гравитацию вокруг массивных тел: только вместо опилок — само пространство, а вместо магнита — звезда или чёрная дыра. Авторы работы предложили разложить гравитацию на два поля. Одно похоже на электрическое — оно тянет.

Загадка пропавшего антивещества не даёт покоя физике с середины XX века. Большой взрыв должен был создать равные количества материи и антиматерии, но сегодняшний мир почти полностью вещественный. Стандартная модель бессильна объяснить эту барионную асимметрию — нужны новые частицы и механизмы за её пределами.

Когда горячий суп остывает, на поверхности появляются сгустки — так и ранняя Вселенная, остывая, рождала нитевидные сгустки энергии, космические струны. Некоторые из них похожи на натянутую резинку: пока цела — стабильна. Но если резинку надрезать, она рвётся.

Гигантская воронка крутится с огромной скоростью. Если бросить в неё верёвку, закрепив один конец на краю, а другой оставив снаружи, воронка начнёт наматывать верёвку на себя, заставляя её вращаться. Примерно так ведёт себя космическая струна рядом с вращающейся чёрной дырой.

В первые мгновения после Большого взрыва космос напоминал гигантский остывающий пруд. Как вода, замерзая, покрывается сеткой трещин, так и остывающая Вселенная могла растрескаться — но не льдом, а тончайшими нитями чистой энергии. Эти нити называют космическими струнами.

Над поверхностью Солнца висят длинные ленты светящегося газа — стримеры. Они похожи на гигантские арфы, натянутые в короне. Когда по такой ленте пробегает волна, она дрожит и изгибается, как струна после щипка. Долгое время считалось, что такую волну может запустить только очень быстрый выброс вещества — тот, что летит со скоростью более 500 километров в секунду.

Согласно теориям, выходящим за рамки Стандартной модели — нашего лучшего описания элементарных частиц и их взаимодействий, — в первые мгновения после Большого взрыва рождались пары магнитных монополей. Это гипотетические частицы, несущие только один магнитный полюс — «север» или «юг», в отличие от привычных магнитов, где полюса неразлучны.

Вращающаяся чёрная дыра — космический водоворот, который затягивает всё вокруг. У некоторых таких дыр есть невидимые нити, которые тянутся от горизонта событий, как спицы от колеса. Учёные долго спорили, что это за нити и можно ли их увидеть. В новой работе физики показали, что эти нити — не просто математическая условность.