Космологические источники гравитационных волн

Гравитационные волны (ГВ), как предсказывает общая теория относительности, представляют собой рябь пространства-времени, распространяющуюся со скоростью света. В отличие от астрофизических источников, космологические источники формируют фоновое излучение, несвязанное с конкретными объектами, а возникающее из процессов ранней Вселенной, включая фазовые переходы, коллапсы топологических дефектов и инфляционные механизмы.

1. Инфляционные флуктуации

Инфляция – это период экспоненциального расширения Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва. Ключевым источником ГВ на этом этапе являются квантовые флуктуации метрики.

  • Происхождение волн: Квантовые возмущения тензорного типа при инфляции усиливаются расширением пространства, что приводит к генерации длинноволновых гравитационных волн.
  • Характеристики спектра: Спектр волн практически однороден, почти независим от частоты (Harrison-Zel’dovich), но может иметь слабый наклон, определяемый деталями инфляционной модели.
  • Амплитуда и наблюдаемость: Интенсивность волн напрямую связана с масштабом инфляции Hinf. Современные эксперименты космического микроволнового фона (CMB) ищут B-моды поляризации, которые могут служить индикатором инфляционных гравитационных волн.

2. Фазовые переходы ранней Вселенной

В ходе расширения и охлаждения Вселенной происходили фазовые переходы, аналогичные конденсации или кристаллизации в обычной материи. Ключевые моменты:

  • Типы переходов:

    • Первого рода – с латентной теплотой и возможностью образования пузырей нового фазового состояния.
    • Второго рода – непрерывные, без скачка энергии, но сопровождающиеся ростом флуктуаций поля.

  • Механизм генерации ГВ: Столкновение пузырей, турбулентные движения плазмы и вихревые течения создают квадрупольные возмущения, являющиеся источником ГВ.

  • Спектральные характеристики: Частоты генерации связаны с энергией перехода. Для переходов на масштабе Электрослабой силы ( ∼ 100 ГэВ) характерные частоты сегодня лежат в диапазоне десятков Гц до кГц.

3. Космические струны и топологические дефекты

Топологические дефекты – это протяженные структуры поля, которые могли формироваться при фазовых переходах ранней Вселенной.

  • Космические струны: Линейные дефекты, обладающие огромной плотностью энергии.

  • Процессы излучения ГВ:

    • Образование петель и их коллапс.
    • Столкновения и разрывы петель (кэнгловые эффекты).

  • Характер спектра: Широкополосный, простирающийся от очень низких частот ( ∼ 10−18 Гц) до кГц. Структура спектра часто зависит от плотности и эволюции струнной сети.

4. Прецессии и анизотропии на больших масштабах

Космологические ГВ могут также возникать из коллективных процессов плотности и метрики на супергалактических масштабах.

  • Анизотропии инфляционного поля: Локальные флуктуации в инфляционном поле могут создавать слабые, но широкополосные флуктуации гравитационного поля.
  • Взаимодействие с реликтовым излучением: ГВ, формирующиеся на больших масштабах, могут оставлять следы в поляризации микроволнового фона, создавая специфические корреляционные сигнатуры.

5. Фоновое космологическое излучение

Совокупность всех космологических процессов формирует фон гравитационных волн (stochastic gravitational wave background, SGWB):

  • Составляющие фона:

    • Инфляционные тензорные флуктуации.
    • Волны от фазовых переходов.
    • Волны от топологических дефектов.

  • Характеристики: Фон является случайным, с распределением энергии, зависящим от частоты ΩGW(f).

  • Методы детекции: Космические интерферометры (LISA, DECIGO), наблюдения поляризации CMB и наземные детекторы (LIGO/Virgo) для более высоких частот.

6. Влияние космологических ГВ на эволюцию Вселенной

  • Энергетическая плотность: Гравитационные волны вносят вклад в плотность энергии Вселенной, что влияет на скорость расширения.
  • Реликтовый эффект: Долговременное присутствие космологического фона может влиять на процессы формирования структур, оставляя косвенные сигналы в распределении материи и микроволновом фоне.
  • Возможность ограничения моделей: Наблюдения SGWB позволяют ограничивать параметры инфляции, масштаб фазовых переходов и свойства топологических дефектов.
Оглавление