Во Вселенной могут быть трещины - но мы не можем видеть их с Земли (4 фото)

Теория говорит, что это масштабное охлаждение, которое физики называют «фазовым переходом», началось в некоторых местах раньше, чем в других. Пузыри из более прохладной вселенной формировались и распространялись, расцветая в пространстве, пока не встречали другие пузыри. В конце концов, все пространство изменилось, и старая вселенная исчезла.

Но это старое состояние с высокой энергией могло бы существовать на границах между пузырями, образуя трещины в ткани пространства-времени, где эти охлаждающие области встречались и не идеально совмещались. Некоторые физики думали, что мы все еще могли бы видеть свидетельство тех трещин или дефектов - известных как "космические нити" - на космическом микроволновом фоне, КМФ, тепло, оставшееся от бурного появления вселенной. Но, согласно новому исследованию, это свидетельство было бы слишком слабым для любого из имеющихся телескопов, чтобы выделить его из шума.

Космические струны - сложные объекты для воображения, говорит Оскар Эрнандес (Oscar Hernández), физик из Университета Макгилла в Монреале (McGill University in Montreal) и соавтор исследования. Но у них есть аналоги в нашем мире.

«Ходили ли вы по замерзшему озеру? Заметили ли вы трещины в замерзшем льду озера? Он все еще довольно твердый. Бояться нечего, но есть трещины», - рассказал Эрнандес изданию Live Science.

Эти трещины образуются в процессе фазового перехода, аналогичного космическим струнам.

«Лед - это вода, которая прошла фазовый переход», - сказал он. «Молекулы воды могли свободно двигаться как жидкость, и затем внезапно где-то они начинают формироваться в кристаллы.… Они начинает формироваться в плитки, которые [часто] представляют собой шестиугольники. Теперь представьте себе плитки это идеальные шестиугольники, которые покрывают черепицей [озеро]. Если кто-то на другом конце озера снова начинает строить мозаику, [то] «вероятность того, что ваши плитки выровняются, практически равна нулю.

Компьютерное моделирование космических струн

Несовершенные места встречи на замерзшей поверхности озера образуют длинные трещины. Если основы физики верны, то в ткани, где пересекаются пространство и время, они образуют космические нити.

Исследователи полагают, что в космосе существуют поля, определяющие поведение фундаментальных сил и частиц. Первые фазовые переходы во вселенной породили эти поля.

«Может быть поле, относящееся к некоторой частице, которая должна в некотором смысле «выбрать направление для замерзания и охлаждения». А поскольку вселенная действительно велика, она может выбирать разные направления в разных частях вселенной », - говорит Эрнандес. «Теперь, если это поле подчиняется определенным условиям ... тогда, когда вселенная остынет, появятся линии разрыва, возникнут линии энергии, которые не могут остыть».

Сегодня эти точки встречи выглядят как бесконечно тонкие энергетические линии в пространстве.

По словам Эрнандеса, найти эти космические струны было бы большим делом, потому что они стали бы еще одним доказательством того, что физика больше и сложнее, чем позволяет нынешняя модель.

Стандартная модель

В настоящее время наиболее продвинутая теория физики элементарных частиц, которую исследователи считают окончательно доказанной, известна как Стандартная Модель. Она включает в себя кварки и электроны, составляющие атомы, а также более экзотические частицы, такие как бозон Хиггса и нейтрино.

Однако большинство физиков считают Стандартную модель неполной. Существует множество идей о том, как ее расширить, от суперсимметричных частиц (например, «stau slepton») до теории суперструн - идея о том, что все частицы и силы могут быть объяснены как колебания крошечных частиц, многомерных "струн". (Примечание. «Струны» в теории суперструн - это не то же самое, что космические «струны». Существует не так много доступных метафор, и иногда физики в разных областях используют одинаковые.)

«Многие расширения Стандартной модели, которые людям действительно нравятся - например, множество теорий суперструн и другие - естественным образом приводят к космическим нитям после того, как происходит инфляция [после Большого взрыва]», - говорит Оскар Эрнандес. «То, что у нас есть, - это объект, который предсказывают очень многие модели, поэтому, если они (струны) не существуют, то все эти модели исключаются. И если они существуют, о мой бог, люди счастливы».

Космический микроволновой фон

С 2017 года наблюдается бурный интерес к попыткам обнаружить струны в космическом микроволновом фоне, КМФ, пишут Эрнандес и его соавтор в своем исследовании, опубликованном 18 ноября в базе данных arXiv, которое еще не рецензировано.

Оскар Эрнандес вместе с Разваном Чукой (Razvan Ciuca) из колледжа Марианополис в Уэстмаунте, Квебек (Marianopolis College in Westmount, Quebec), в прошлом утверждали, что сверточная нейронная сеть - мощный тип программного обеспечения для поиска шаблонов - будет лучшим инструментом для выявления свидетельств наличия струн в КМФ.

Предполагая идеальную карту КМФ без помех, они написали в отдельной статье 2017 года, что компьютер, на котором работает такая нейронная сеть, должен быть способен находить космические струны, даже если их энергетические уровни (или «напряжение») удивительно низки.

Но вернувшись к этому вопросу в этой новой статье 2019 года, они показали, что в действительности почти наверняка невозможно обеспечить достаточно чистые данные КМФ для нейронной сети, чтобы обнаружить эти потенциальные строки. Другие, более яркие микроволновые источники затеняют КМФ и их трудно полностью устранить. Даже самые лучшие микроволновые инструменты несовершенны, с ограниченным разрешением и случайными колебаниями их точности записи от одного пикселя к другому. Они обнаружили, что все эти и многие другие факторы приводят к тому уровню потери информации, который ни один из существующих или запланированных методов регистрации и анализа КМФ никогда не сможет преодолеть, пишут они. Такой метод охоты на космические струны - тупик.

Это не значит, что все потеряно, пишут они.

Новый метод поиска космических струн основан на измерениях расширения вселенной во всех направлениях по древним частям Вселенной. По словам Эрнандеса, этот метод, называемый картированием интенсивности 21 сантиметра, не основан на изучении движений отдельных галактик или точных изображений КМФ. Вместо этого он основан на измерениях скорости, с которой атомы водорода удаляются от Земли в среднем во всех частях глубокого космоса.

Лучшие обсерватории для 21-сантиметрового картирования (названные так потому, что водород излучает электромагнитную энергию с контрольной длиной волны 21 см) еще не доступны. Но когда они выйдут на орбиты, пишут авторы, есть надежда на более ясное свидетельство космических струн в их данных. И тогда, сказал Эрнандес, охота может начаться заново.