Kako gravitacijski valovi oblikuju naše razumijevanje kozmosa

U svemiru, gravitacijski valovi stvaraju vrstu buke, s valovima koji dolaze iz različitih, često nepoznatih izvora i to na načine koji su nepredvidivi. Među tim valovima, posebno zanimanje znanstvenika izazivaju oni koji potječu iz samih početaka svemira. Tim fizičara nedavno je dokazao da bi gravitacijski valovi iz rane faze svemira trebali imati specifičan “potpis”, oblikovan djelovanjem kvarkova i gluona u razdoblju hlađenja svemira nakon Velikog praska. Ovo otkriće, objavljeno u časopisu Physical Review Letters, moglo bi ključno utjecati na odabir modela koji najtočnije opisuju stanje svemira neposredno nakon njegovog nastanka.

LIGO Interferometar i gravitacijski valovi 

Prvi izravni dokazi o postojanju gravitacijskih valova zabilježeni su 2015. godine zahvaljujući LIGO interferometrima u Sjedinjenim Američkim Državama. Otkriveni su valovi izoliranih događaja, poput spajanja crnih rupa, koji su minimalno, ali mjerljivo, mijenjali dužinu interferometara. Ova promjena duljine rezultirala je varijacijama u interferencijskom uzorku lasera, što je omogućilo detekciju valova. No, postoji i finiji sloj gravitacijskih valova, čija prisutnost više nalikuje šumu nego jasno definiranim signalima. U potrazi za tim suptilnijim valovima, znanstvenici su se okrenuli mrežama milisekundnih pulsara, koristeći udaljenost od Zemlje do pulsara kao efektivnu dužinu “ruke” interferometra.

Suradnja NANOgrav

Pulsari, koji su rotirajuće neutronske zvijezde, emitiraju zračenje s izuzetnom periodičnošću. Zbog ove stabilnosti, bilo kakve promjene u vremenskom mjerenju mogu ukazivati na prolazak gravitacijskih valova, čije prisustvo može bitno utjecati na percepciju svemira. Prošle godine, suradnja NANOgrav zajedno s drugim istraživačkim skupinama, objavila je dokaze o postojanju niskofrekventnih, stohastičkih gravitacijskih valova. Izvor ovih valova još uvijek je predmet istraživanja, s mogućnostima koje uključuju kako astrofizičke pojave, tako i događaje iz rane faze svemira.

Metodologiju za razlikovanje gravitacijskih valova

Novija istraživanja nude metodologiju za razlikovanje valova koji potječu iz rane faze svemira od onih koji imaju drugačije izvore. Ovo je moguće zahvaljujući određenom “otisku” koji ostavljaju interakcije opisane Standardnim modelom fizike čestica, neovisno o specifičnom modelu rane faze svemira koji se razmatra. Kako se svemir hladio od početnih trenutaka nakon Velikog praska, prošao je kroz različite faze, uključujući i kvantno-kromodinamički prijelaz, tijekom kojeg su se kvarkovi i gluoni spakali u čestice. Ovaj prijelaz dogodio se pri temperaturi od otprilike jedan bilijun kelvina, samo nekoliko trenutaka nakon početka svemira.

Frekvencije koje se istražuju kroz mjerenje vremena pulsara odgovaraju frekvencijama niskofrekventnih stohastičkih gravitacijskih valova, omogućujući istraživačima da pretraže podatke u potrazi za ovim specifičnim signalom. Davide Racco, suautor studije i član Instituta za Teorijsku Fiziku na Sveučilištu Stanford, naglasio je važnost preciznog karakteriziranja gravitacijskih valova kako bi se razlikovali njihovi izvori. Ova spoznaja ne samo da produbljuje naše razumijevanje svemira, već i pokazuje kako se čestice fizike i kozmologija isprepliću, otkrivajući nove dimenzije našeg postojanja.