Forskare vid Helsingfors universitet har studerat hur en fasövergång under universums tidigaste perioder leder till gravitationsvågor som kan observeras i framtida detektorer. Forskningsresultaten publicerades nyligen i den prestigefyllda tidskriften Physical Review Letters.
Vatten som kokar eller en metall som smälter är bekanta exempel på fasövergångar. De representerar drastiska förändringar i ett ämnes egenskaper när exempelvis dess temperatur ändras. De sker ofta genom bildandet av bubblor som innehåller den nya fasen; dessa expanderar sedan tills den nya fasen helt tagit över.
När vårt universum var ungt bestod det av ett hett plasma, vars temperatur minskade när universum expanderade. Fysiker har spekulerat i att denna ändring av temperaturen kan ha orsakat tidigare okända fasövergångar på en kosmologisk skala. De expanderande bubblorna från denna fasövergång skulle då ha kollidera kraftfullt med varandra; energierna i en sådan process kan vara stora nog att böja tid och rum, vilket ger upphov till gravitationsvågor som kunde observeras i framtida detektorer. En sådan detektor är den rymdbaserad Laser Interferometer Space Antenna (LISA), planerad för uppskjutning på 2030-talet.
Att beskriva sådana fasövergångar och bildandet av bubblor är en utmaning inom teoretisk fysik. En forskargrupp bestående av Oscar Henriksson , Mark Hindmarsh , och Niko Jokela vid Helsingfors universitet, samt kollegor vid universitet i Oviedo och Sussex, har nu attackerat det här problemet med hjälp av en teknik från strängteori som går under namnet holografisk dualitet. De visade hur denna dualitet kan användas för att uttrycka problemet i en mer lätthanterlig form, och hur många av de egenskaper som beskriver bildandet av bubblorna kan beräknas. Mer arbete behövs för att beskriva ett helt realistiskt scenario, men denna nya metod möjliggör en bättre förståelse av produktionen av bubblor i fasövergångar, och de resulterande gravitationsvågorna, i annars svårtillgängliga regimer.
Gruppen arbetar nu på några av de kvarvarande problemen, inklusive beräkningen av hastigheten hos en expanderande bubbla, som behöver lösas för att få en fullständig beskrivningen av fasövergången.
Länk till artiklarna:
Gravitational Waves at Strong Coupling from an Effective Action, Fëanor Reuben Ares, Oscar Henriksson, Mark Hindmarsh, Carlos Hoyos, and Niko Jokela, Phys. Rev. Lett. 128, 131101 – Published 29 March 2022
arXiv-version: https://arxiv.org/abs/2110.14442