Το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων

Πηγή: American Institute Of Physics, 31 Ιανουαρίου 2007

Στο καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας, το σύμπαν στις πρώτες του στιγμές πέρασε μια περίοδο φανταστικής αύξησης. Αυτή η πληθωριστική φάση, μετά από ένα μόνο τρισεκατομμυριοστό του ενός δευτερολέπτου, ολοκληρώθηκε με μια βίαια μετατροπή της ενέργειας σε καυτή ύλη και ακτινοβολία. Αυτή η "επαναθέρμανση" της διαδικασίας οδήγησε επίσης σε μια πλημμύρα κυμάτων βαρύτητας. (Κατά έναν ενδιαφέροντα τρόπο, μερικοί κοσμολόγοι προσδιόρισαν τη "Μεγάλο Έκρηξη" σε αυτήν την στιγμή και όχι στην προηγούμενη στιγμή όπου ο χρόνος t ήταν μηδέν).

Έστω ότι συγκρίνουμε αυτό το Υπόβαθρο Βαρυτικών Κυμάτων (GWB) με το πιο γνωστό Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB). Το GWB προέρχεται από μια στιγμή 1 τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά το Big Bang, ενώ το CMB περίπου 380.000 έτη αργότερα όταν σχηματίστηκαν τα πρώτα άτομα. Το CMB αντιπροσωπεύει έναν 'παφλασμό' των φωτονίων που ήταν εκείνη την εποχή σε ισορροπία με τα περιβάλλοντα άτομα - που φτιάχνονταν τότε για πρώτη φορά.  Τα μικροκύματα που βλέπουμε τώρα στον ουρανό ήταν (προτού γίνει ερυθρή μετατόπιση προς χαμηλότερες συχνότητες εξ αιτίας της διαστολής του σύμπαντος) υπεριώδη κύματα και 'ελευθερώθηκαν' ξαφνικά για να ταξιδέψουν ανεμπόδιστο μέσα στο χώρο. Τώρα παρατηρούνται να είναι συνήθως σε μια ομοιόμορφη θερμοκρασία περίπου 3 βαθμούς Kelvin, αλλά ο συνολικός χάρτης των μικροκυμάτων του ουρανού σε μια λεπτομερή ανάλυση παρουσιάζει μια ανομοιογένεια της ύλης (κομμάτια) που υπάρχουν ακόμα από τότε.

Αλλά τι αντιπροσωπεύει, σε αντίθεση, το Υπόβαθρο Βαρυτικών Κυμάτων GWB; Προέρχεται από τρεις διαφορετικές διαδικασίες που συνυπήρχαν στην πληθωριστική εποχή: κύματα που προέρχονται από την πληθωριστική διαστολή του ιδίου του χώρου, κύματα από τη σύγκρουση τμημάτων της νέας ύλης - σαν τις φυσαλίδες - που θερμάνθηκαν εκ νέου μετά από τον πληθωρισμό και κύματα από την ταραχώδη ρευστή μίξη των πρώτων πρώτων ομάδων της ύλης και της ακτινοβολίας, προτού επέλθει ισορροπία μεταξύ τους (μια περίοδος γνωστή ως θερμοποίηση (thermalization). Τα κύματα της βαρύτητας δεν θα ήταν ποτέ σε ισορροπία με την ύλη (δεδομένου ότι η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής δύναμη που δεν θα ήταν σε θέση να αλληλεπιδράσει). Συνεπώς το GWB δεν θα εμφανιστεί τώρα να είναι σε μια ενιαία συνολική θερμοκρασία.

Σε μια νέα δημοσίευση οι Juan Garcia-Bellido και Daniel Figueroa (του Αυτόνομου Πανεπιστημίου της Μαδρίτης) εξηγούν πώς θα μπορούσαν να ανιχνευθούν αυτές οι χωριστές διαδικασίες και να διαφοροποιηθούν στους σύγχρονους ανιχνευτές που κατασκευάστηκαν για να δουν τα κύματα της βαρύτητας, όπως τα LIGO, LISA, ή BBO (Παρατηρητής του Big Bang). Κατ' αρχάς, το GWB θα ήταν, όπως το CMB. Αλλά λόγω της πιο παλιάς προέλευσης του GWB, η μετατόπιση προς το ερυθρό θα ήταν ακόμα πιο μεγάλη: η ενέργεια (και η συχνότητα) των κυμάτων θα ήταν μικρότερη κατά 24 μεγέθη. Δεύτερον, τα κύματα GWB θα ήταν ευδιάκριτα από τα κύματα της βαρύτητας από σημειακές πηγές (όπως είναι η σύγκρουση δύο μαύρων οπών) επειδή μια τέτοια σύγκρουση θα απελευθέρωνε κύματα με ένα πιο οξύ φασματικό σήμα. Σε αντίθεση το GWB από τη επαναθέρμανση μετά από τον πληθωρισμό θα είχε ένα πολύ ευρύτερο φάσμα, περίπου 1 hertz έως 1 gigahertz ανάλογα με την κλίμακα του πληθωρισμού.

Ο Garcia-Bellido προτείνει ότι εάν ένας ανιχνευτής, όπως ο προτεινόμενος BBO, θα μπορούσε να διαλευκάνει τα ξεχωριστά σήματα GWB του τέλους του πληθωρισμού, τότε ένα τέτοιο σήμα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του πληθωρισμού και θα μπορούσε να βοηθήσει να ερευνήσουμε μερικά θεμελιώδη ζητήματα, όπως την ασυμμετρία ύλης - αντιύλης, την παραγωγή τοπολογικών ατελειών σαν τις κοσμικές χορδές, τα πρωταρχικά μαγνητικά πεδία, και ενδεχομένως την υπερβαρέα σκοτεινή ύλη.