Астрофизика

"Космические струны", возможно, остановили вселенную от самоуничтожения

Имитированное изображение космических струн / Крис Рингеваль

Теория Большого взрыва объясняет, как возникла Вселенная – но, по иронии судьбы, если следовать букве, она также предполагает, что мы не должны существовать сегодня. Это потому, что должно было быть создано равное количество материи и антиматерии, которые просто уничтожили бы друг друга. Но теперь физики предложили новую теорию, которая объясняет эту тайну – и наметили, как мы можем найти прямые доказательства этого.

Все, что нас окружает - и в нас - состоит из материи. С другой стороны, антивещество, по-видимому, встречается крайне редко и кратковременно возникает в экспериментах в ЦЕРНе или во время грозы и ураганов.

Но мы должны быть благодарны за эту редкость. Частицы антивещества обладают противоположным электрическим зарядом по отношению к материи, и если когда-нибудь эти частицы встретятся, они уничтожат друг друга в взрыве энергии. Это может быть удобно для будущих космических путешествий, но это также предполагает, что такое путешествие было бы довольно скучным, поскольку все во Вселенной полностью уничтожило бы себя с течением времени.

Тот факт, что мы прямо сейчас подвергаем это сомнению, очевидно, означает, что этого не произошло. Но почему же? По всем расчетам, Большой взрыв должен был произвести материю и антиматерию в равных количествах, так куда же делась вся антиматерия? И почему материя выиграла то, что должно было быть равномерно подобранной войной? Это одни из самых больших вопросов в космологии без ответов.

Наше собственное существование подсказывает, что каким-то образом в какой-то момент времени некоторая антиматерия должна была превратиться в обычную материю. Даже если дисбаланс столь же мал, как одна часть из миллиарда, это может оставить достаточно материи после всех аннигиляций, чтобы сделать звезды, галактики, планеты, и людей, которые мы видим сегодня.

Проблема в том, что вещество и антивещество не могут просто поменяться командами, так как они имеют противоположные электрические заряды. Все, кроме нейтрино - эти крошечные фундаментальные частицы - единственные, о которых мы знаем, которые имеют нейтральный электрический заряд. Поскольку противоположность нулю по-прежнему равна нулю, нейтрино могут быть их собственными античастицами. Это означает, что нейтрино могли бы переключиться на другую сторону с небольшой помощью вселенной, переживающей фазовый переход.

"Фазовый переход - это как кипячение воды в пар или охлаждение воды в лед", - говорит Хитоси Мураяма, соавтор исследования. "Поведение материи изменяется при определенных температурах, называемых критической температурой". Когда определенный металл охлаждается до низкой температуры, он полностью теряет электрическое сопротивление при фазовом переходе, превращаясь в сверхпроводник". Подобно сверхпроводнику, фазовый переход в ранней вселенной, возможно, создал очень тонкую трубку из магнитных полей, называемую космическими струнами".

Согласно некоторым теориям, эти космические струны пронизывают Вселенную, подобно тому, как трещины могут образовываться во льду, когда вода замерзает. Они могли бы дать нейтрино толчок, необходимый для изменения электрических зарядов, но до сих пор не было найдено никаких прямых доказательств существования этих струн.

Это может быть потому, что они прячутся дальше во времени, чем мы можем видеть. Считается, что космические струны образовались бы относительно быстро после фазового перехода, и все это произошло бы в течение первых миллионов лет или около того существования Вселенной.

Хронология событий от Большого Взрыва, через фазовый переход, до создания космических струн, рождения космического микроволнового фона и, наконец, до наших дней R. Hurt/Caltech-JPL, NASA, ESA, Kavli IPMU

К сожалению, только свет позволяет нашим телескопам оглянуться назад до того, как фоновое излучение смоет все. Но есть и другой способ изучения того, что произошло до того - гравитационные волны. Эта рябь в самой ткани пространства-времени испускается огромными катаклизмами, такими как слияние черных дыр, и мы обнаруживаем их довольно последовательно с 2015 года.

По мнению исследователей, участвовавших в новом исследовании, эти космические струны, возможно, также оставили гравитационные отпечатки в пространстве-времени, которые мы могли бы обнаружить. Конечно, они были бы намного меньше тех, которые мы сейчас находим с помощью LIGO и других инструментов, но они также выглядели бы совсем по-другому, что позволило бы ученым отличать их друг от друга.

"Недавнее открытие гравитационных волн открывает новую возможность оглянуться назад во времени, поскольку вселенная прозрачна для гравитации до самого начала", - говорит Грэм Уайт, соавтор исследования. "Когда вселенная могла быть на триллион или квадриллион раз горячее, чем самое горячее место во вселенной сегодня, нейтрино, вероятно, вели себя именно так, как нам требуется для обеспечения нашего выживания. Мы продемонстрировали, что они, вероятно, также оставили позади себя обнаруживаемые гравитационные пульсации, чтобы дать нам знать".

Исследователи говорят, что будущие космические детекторы гравитационных волн, такие как LISA, BBO или DECIGO, могут помочь нам выследить эти космические струны и решить эту загадку раз и навсегда.

Исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Back to top button