Skąd pochodzą te fale grawitacyjne o wysokiej częstotliwości?

Wykryto fale grawitacyjne o wysokiej częstotliwości. Skąd pochodzą?

Naukowcy zarejestrowali dwa rzadkie zjawiska, których źródłem może być ciemna materia lub pierwotne czarne dziury. Wyemitowały one fale grawitacyjne o wysokiej częstotliwości, które są poza zasięgiem większości detektorów. Nigdy wcześniej ich nie wychwycono.

Fale grawitacyjne to „zmarszczki czasoprzestrzeni”, których istnienie zostało przewidziane przez Alberta Einsteina ponad sto lat temu. Na bezpośrednią ich detekcję trzeba było poczekać aż do 2015 r. Od tego czasu wielokrotnie wykrywano fale grawitacyjne, głównie w częstotliwościach od 30 do 7000 Hz (detektor LIGO ma taką czułość). Nie jest tajemnicą, że fale grawitacyjne mogą wykraczać poza ten zakres. Trwają dwa eksperymenty, których celem jest detekcja fal grawitacyjnych o wysokiej częstotliwości – rezultaty jednego już ujawniono.

Pierwotne czarne dziury czy ciemna materia?

Mowa o projekcie prowadzonym przez ARC Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics (CDM) oraz Uniwersytet Zachodniej Australii, który wykorzystuje unikalny typ detektora fal grawitacyjnych – tzw. cienkowarstwowy masowy rezonator akustyczny. Zawiera on dysk z kryształu kwarcu, który wpada w drgania przy wysokich częstotliwościach (gdy przechodzą przez niego fale akustyczne). Generowany jest ładunek elektryczny, który może być odebrany przez dwie płyty przyciśnięte do dysku. Następnie trafia on do nadprzewodzącego urządzenia do interferencji kwantowej (SQUID), które tak wzmacnia sygnał, by mógł on zostać odebrany przez detektor. Całość jest zamknięta wewnątrz kilku osłon radiacyjnych oraz schładzana do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, dzięki czemu jest w stanie wykrywać częstotliwości fal w zakresie MHz.

Australijscy naukowcy prowadzili eksperyment przez 153 dni w ciągu dwóch interwałów czasowych w 2019 r. W tym czasie zaobserwowali dwa rzadkie zdarzenia – oba w zakresie ok. 5 MHz.

Wciąż tajemnicą pozostaje, skąd pochodzą te sygnały, mimo że istnieje kilka interesujących możliwości. Mogą one pochodzić z pierwotnych czarnych dziur, które powstały w ciągu pierwszych milisekund po Wielkim Wybuchu i mogą być zalążkami supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. Inna możliwość mówi, że sygnał pochodzi z chmury cząstek ciemnej materii, która może przenikać przez wszystko we Wszechświecie. Potwierdzenie któregokolwiek z tych wariantów oznaczałoby przełom dla fizyki, ale na razie warto powstrzymać się od hurraoptymizmu.

To ekscytujące, że to zdarzenie pokazało, że nowy detektor jest czuły i daje wyniki, ale teraz musimy dokładnie określić, co te wyniki oznaczają. Następna generacja eksperymentu będzie polegała na zbudowaniu klonu tego detektora i detektora mionowego wrażliwego na cząstki kosmiczne. Jeśli dwa detektory stwierdzą obecność fal grawitacyjnych, będzie to naprawdę ekscytujące.

William Campbell, główny naukowiec projektu

Możliwe, że przyszłe technologie pozwolą na poszukiwania fal grawitacyjnych o jeszcze wyższych częstotliwościach.