Erken evrende yerçekimi dalgalarının incelenmesinde ilerleme
14 Eylül 2015'te, Amerikan Lazer Girişimsel Yerçekimi Dalga Gözlemevi (LIGO), insanlığın evrenin gizemlerini keşfetmesi için çok yararlı yeni bir pencerenin açılmasına işaret eden çift kara deliklerin birleşmesi sırasında ilk kez yerçekimi dalgası sinyallerini tespit etti. Yer titreşimi paraziti nedeniyle, yerçekimi dalgası dedektörleri yalnızca yüksek frekanslı yerçekimi dalgalarını (10 Hz'nin üzerinde) algılayabilir. ESA liderliğindeki Lazer İnterferometrik Uzay Anteni (LISA) projesi, Tai Chi projesi veya Çin tarafından önerilen Tianqin projesi gibi yeni nesil uzay yerçekimi dalgası dedektörleri, milihertz'den bir hertz bandına kadar olan yerçekimsel dalgaları tespit edebilir. Bu frekans bandındaki yerçekimi dalgaları zengin bilimsel içerik içerir. Bu uzay yerçekimi dalgası dedektörlerinin bilimsel hedefleri arasında süper kütleli kara delik birleştirme, aşırı kütle oranı kara delik çiftleri, rastgele yerçekimi dalgası arka planları vb. Yer alır. Bunların arasında, erken evrende doğan rastgele yerçekimi dalgaları, erken evrenin bilgilerini koruyan ve erken evrenin evrimini anlamak için önemli bilimsel öneme sahip "fosillerdir".
Güncel astronomik ve kozmolojik gözlemler bize evrendeki maddenin% 27'sinin ışıksız "karanlık madde" olduğunu söylüyor. Kökeni ve doğası, modern kozmoloji ve teorik fizik için önemli bir sorundur. Olası bir açıklama, çok erken evrenin küçük ölçeğindeki orijinal yoğunluğun büyük ölçüde bozulmuş olmasıdır Ufka yeniden girerken, orijinal kara delikler oluştu ve karanlık madde bu orijinal kara deliklerden oluşuyordu. 1016 gramdan daha az kütleye sahip orijinal kara delik, Hawking radyasyonu nedeniyle buharlaştı ve karanlık madde için aday olamaz. Güneşin kütlesinden (1033 gram) çok daha büyük olan ilkel kara delikler, kozmik mikrodalga fon radyasyonunu etkileyecek ve büyük miktarlarda var olamazlar. Güneşe 1022 gram kütleye sahip orijinal kara delik Samanyolu'nun karanlık madde halesinde hareket ettiğinde ve uzaktaki yıldızları engellediğinde, kütleçekimsel bir merceklenme etkisi yaratabilir. Orijinal kara deliğin enerji yoğunluğu, bu yerçekimi merceğine bakarak sınırlandırılabilir. Bununla birlikte, kütlesi 1022 gramdan daha az olan orijinal kara deliğin yarıçapı, görünen ışığın dalga boyundan çok daha küçük olan nanometre mertebesindedir. Bu kadar küçük bir nesne, yukarıda bahsedilen yerçekimsel merceklenme etkisiyle gözlenemez (bkz. Şekil 1).
Kütleçekim dalgalarının keşfi, bu tür ilkel kara delikleri gözlemlemek için yeni bir pencere açtı, çünkü ilkel kara deliklerin oluşumuna neden olan ilkel yoğunluk bozukluğu aynı zamanda yerçekimi dalgaları da üretecek. Evrenin erken şişirme aşamasında, skaler bozulma ve tensör bozukluğu doğrusal sırada bağımsız olmasına rağmen, doğrusal olmayan sırada birleştirilirler. Bu doğrusal olmayan bağlantı, yerçekimi dalgalarına neden olan skaler bozukluklara neden olacaktır. Bu mekanizma tarafından üretilen yerçekimi dalgalarına indüklenmiş yerçekimi dalgaları denir. Orijinal kara delik çok sayıda varsa, orijinal skaler bozulma büyük olmalı ve indüklenen yerçekimi dalgası da büyük olacaktır, bu da gelecekteki kütleçekim dalgası deneylerinde gözlemlenebilir. Daha önce belirtildiği gibi, bir karanlık madde adayı olarak orijinal kara delik için tek olası kütle aralığı 1017 g ila 1022 g arasındadır ve buna karşılık gelen yerçekimi dalgası frekansı bandı 10-3 Hz ila 0.1 Hz'dir, bu da yeni nesil uzay kütleçekim dalgası gözlemevi LISA / Tai Chi'de yer almaktadır. / Lyra'nın algılama menzili içinde.
Kısa süre önce, Çin Bilimler Akademisi Teorik Fizik Enstitüsü'nde araştırmacı olan Cai Ronggen, Japonya Tokyo Üniversitesi İleri Araştırmalar Enstitüsü'nden Ph.D.Pi Shi ve Profesör Sasaki Sasaki, Ph.D. Gauss dışı dağılımın orijinal kara deliğin oluşumu ve indüklenen yerçekimi dalgası üzerindeki etkisi. Gauss olmayan ilkel yoğunluk pertürbasyonunun indüklenen yerçekimi dalgalarını artıracağını ve ayrıca ilkel kara delik oluşum oranını artıracağını buldular. Karanlık maddenin tamamen orijinal kara delikten oluştuğu varsayılırsa, yani orijinal kara deliğin enerji yoğunluğu mevcut karanlık madde yoğunluğuna sabitlenirse, Gauss olmayışının artırılması, orijinal yoğunluk bozulma dağılımının güç spektrumunun bastırılması gerektiği anlamına gelir. Şekil 2'ye bakınız. Bu iki etkinin birleşik etkisi, orijinal kara deliğin enerji yoğunluğunu sabitleme koşulu altında orijinal yoğunluk bozukluğunun Gauss olmayanlığını artırarak indüklenen yerçekimi dalgasının enerji yoğunluğunu düşürür. İlginç bir şekilde, Gauss olmayanlık artmaya devam ettiğinde, indüklenen yerçekimi dalgalarının enerji yoğunluğunun daha düşük bir sınır olduğunu ve bu alt sınırın, karanlık maddenin tamamen ilkel kara deliklerden (10-3 Hz ila 0.1 Hz) oluştuğu frekans bandındaki yeni nesil uzay yerçekiminden daha büyük olduğunu buldular. Dalga astronomik gözlemevinin tespit edilebilir doğruluğu (bkz.Şekil 3). Bu, eğer karanlık madde tamamen ilkel kara deliklerden oluşuyorsa, insanların LISA / Tai Chi / Lyra'da karşılık gelen indüklenmiş yerçekimi dalga sinyallerini gözlemleyebilmeleri gerektiği anlamına gelir. Bu sonuç, orijinal yoğunluk bozukluğunun dağılımına bağlı değildir. Tersine, eğer bu tür yerçekimi dalga sinyalleri LISA / Tai Chi / Lyra'da gözlenmezse, orijinal kara delik karanlık madde için tek aday olamaz. Bu araştırma çalışması yakın zamanda "Phys. Rev. Lett. 122, 201101 (2019)) 'de yayınlandı. İlgili araştırma sonuçları, uzay yerçekimi tespiti, karanlık madde özelliklerinin anlaşılması ve erken evren evrimi için önemli bilimsel öneme sahiptir.
Bu araştırma çalışması, Çin Bilimler Akademisi'nin pilot projesi ve sınır biliminin kilit projesi olan Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı'nın "Yerçekimsel Dalgalarla İlgili Fizik Problemleri Araştırması" ana projesi tarafından desteklenmektedir. Sasaki Festivali, Yabancı Uzmanlar İşleri Devlet İdaresinin Üst Düzey Yabancı Uzman Programı tarafından finanse edilmektedir ve Teorik Fizik Enstitüsü'nde misafir araştırmacıdır.
Şekil 1 Orijinal kara deliğin gözlemsel sınırlamaları. Yatay eksen, orijinal kara deliğin kütlesidir (güneş kütlesi birimi cinsinden) ve dikey eksen, orijinal kara deliğin (karanlık madde biriminde) enerji yoğunluğudur. Mor renk, Hawking radyasyonunun neden olduğu kara deliklerin buharlaşmasının sınırıdır. Gök mavisi üçgen, beyaz cüce yıldızın orijinal kara deliği yakalama sınırıdır. Mavi, mikro yerçekimi lensinin sınırıdır, soldan sağa Subaru HSC, EROS, OGLE. Siyah-gri yamuk, LIGO operasyonunun ikinci aşaması sırasında elde edilen çift kara deliklerin yerçekimi dalga sınırıdır. Sağdaki gök mavisi, cüce galaksinin orijinal kara deliği yakalamadaki sınırlamasıdır. Kırmızı, mikrodalga arka plan radyasyonunun sınırıdır. Dalga optiği etkisi ve sonlu ölçek etkisi nedeniyle, kütle aralığı 1017 g ila 1022 g olan orijinal kara delik mikro yerçekimsel lensler üretemez, bu nedenle optik yollarla gözlemlenemez. Orijinal kara delik, bu kütle aralığında tüm karanlık maddeyi sağlayabilir. Bu pencere için olası tek gözlemsel sınırlama, gelecekteki uzay kütleçekim dalgası deneylerinden geliyor.
Şekil 2 Orijinal yoğunluk bozulması / 'nun olasılık yoğunluk dağılımı fonksiyonunun şematik diyagramı. / > c evreni ilkel bir kara delik oluşturabilir. Gauss dağılımı ile karşılaştırıldığında, Gauss olmayan dağılımın c'den büyük kuyruk kısmı daha geniş bir alana sahiptir ve daha ilkel kara delikler oluşturabilir. Gauss dışı dalgalanmalar durumunda, aynı sayıda orijinal kara delik sadece daha dar (yani daha küçük güç spektrumu) bir orijinal yoğunluk bozulmasına ihtiyaç duyar.
Şekil 3 Kara madde tamamen orijinal kara delikten oluştuğunda, orijinal skaler bozulma tarafından üretilen indüklenmiş yerçekimi dalgası. Orijinal kara deliğin kütlesi, 0.003 Hz'de indüklenen yerçekimi dalgalarının frekansına karşılık gelen 1022 gram olarak alınmıştır. Turuncu kesikli eğri, Gauss skaler bozukluğunun neden olduğu yerçekimi dalgasıdır. Kırmızı, mavi ve mor eğriler, Gauss olmayan farklı durumlardır. Yosun yeşili, skaler bir rahatsızlıktan kaynaklanan son derece Gaussian olmayan ( ^ 2 dağılımı) bir yerçekimi dalgasıdır. Orijinal kara deliğin enerji yoğunluğu sabitlendiğinde, Gauss olmayanın artmasının indüklenen yerçekimi dalgasını bastıracağı görülebilir. Ancak enerji yoğunluğunun alt sınırı, yeni nesil uzay kütleçekim dalgası detektörü LISA / Tai Chi / Lyra'nın duyarlılık eğrisinin üzerinde.
Kaynak: Teorik Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
İpuçları: Yakın zamanda WeChat resmi hesap bilgi akışı revize edildi. Her kullanıcı, büyük kartlar şeklinde görüntülenecek olan sık okuma abonelik numaralarını ayarlayabilir. Bu nedenle, "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" makalesini kaçırmak istemiyorsanız, şunları yapmalısınız: "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" genel hesabına girin sağ üst köşedeki menüyü tıklayın "Yıldız Olarak Ayarla" yı seçin
