Исследовательская группа обнаружила, что гравитация может превратиться в свет, но только в том случае, если пространство-время будет вести себя правильным образом.
При нормальных обстоятельствах вы не можете получить что-то из ничего. В частности, Стандартная модель физики элементарных частиц, господствующая теория, объясняющая субатомный зоопарк частиц, обычно запрещает превращение безмассовых частиц в массивные. В то время как частицы в Стандартной модели постоянно превращаются друг в друга посредством различных реакций и процессов, фотон — безмассовый носитель света — не может нормально превращаться в другие частицы. Но если условия подходящие, это возможно — например, когда фотон взаимодействует с тяжёлым атомом, он может спонтанно разделиться и стать электроном и позитроном, которые являются массивными частицами.
Имея в виду этот хорошо известный пример, команда физиков-теоретиков в статье, опубликованной 28 марта в базе данных препринтов arXiv, задалась вопросом, может ли сама гравитация трансформироваться в другие частицы. Обычно мы думаем о гравитации через призму общей теории относительности, согласно которой изгибы и искривления пространства-времени влияют на движение частиц. Учитывая такую картину было бы очень трудно представить, как гравитация могла бы создавать частицы. Но мы также можем смотреть на притяжение через квантовую призму, представляя гравитационную силу в виде бесчисленных невидимых частиц, называемых гравитонами. И хотя наша картина квантовой гравитации далека от завершенности, мы знаем, что эти гравитоны будут вести себя как любая другая фундаментальная частица, в том числе потенциально превращаться.
Чтобы проверить эту идею, исследователи изучили условия очень ранней Вселенной. Когда наш космос был очень молод, он тоже был маленьким, горячим и плотным. В этом молодом космосе все формы материи и энергии были увеличены до невообразимых масштабов, намного больших, чем способны достичь даже наши самые мощные коллайдеры частиц.
Исследователи обнаружили, что в этой установке важную роль играют гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, порожденная столкновениями между самыми массивными космическими объектами. Обычно гравитационные волны чрезвычайно слабы и способны переместить атом на расстояние, меньшее ширины его собственного ядра. Но в ранней Вселенной волны могли быть намного сильнее, и это могло серьёзно повлиять на всё остальное.
Эти ранние волны раскачивались туда и обратно, усиливая сами себя. Всё остальное во Вселенной попадало в петли взаимодействия волн, вызывая резонансный эффект. Подобно тому, как ребёнок качает ногами в нужный момент, чтобы раскачиваться всё выше и выше, гравитационные волны действовали как насос, раз за разом сжимая материю в плотные скопления.
Гравитационные волны также могут влиять на электромагнитное поле. Поскольку волны являются рябью в самом пространстве-времени, они не ограничивают себя взаимодействием только с массивными объектами. По мере того, как волны продолжают накачиваться, они могут доводить излучение во Вселенной до чрезвычайно высоких энергий, вызывая спонтанное появление фотонов: гравитация порождает сам свет.
Исследователи обнаружили, что в целом этот процесс довольно неэффективен. Ранняя Вселенная также расширялась, поэтому стандартные модели гравитационных волн не могли существовать долго. Однако команда специалистов обнаружила, что если бы ранняя Вселенная содержала достаточно материи, чтобы скорость света была снижена (точно так же, как свет распространяется медленнее в такой среде, как воздух или вода), то волны могли оставаться достаточно долго, чтобы действительно запустить процесс, генерируя потоки дополнительных фотонов.
Физики до сих пор не полностью понимают сложную, запутанную физику ранней Вселенной, которая была способна совершать невиданные с тех пор подвиги. Это новое исследование добавляет ещё одну нить к богатому гобелену: способность гравитации создавать свет. Предположительно, это излучение могло в дальнейшем влиять на формирование материи и эволюцию Вселенной, поэтому выяснение всех последствий этого удивительного процесса может привести к новым революциям в нашем понимании самых ранних моментов существования космоса.
