Phasenübergänge im jungen Universum und deren Gravitationswellensignale

Kollidierende sphärische Druckwellen eines Phasenübergangs rund zehn Picosekunden nach dem Urknall würden Gravitationswellen erzeugen, die von LISA registriert werden könnten. (Credits: Image: David Weir)
Kollidierende sphärische Druckwellen eines Phasenübergangs rund zehn Picosekunden nach dem Urknall würden Gravitationswellen erzeugen, die von LISA registriert werden könnten. (Credits: Image: David Weir)

Ein Forschungsteam der University of Helsinki hat demonstriert, wie ein Phasenübergang im jungen Universum zu Gravitationswellensignalen führen würde, die mit kommenden Satellitenmissionen möglicherweise registrierbar wären. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich im angesehenen Journal Physical Review Letters veröffentlicht.

Phasenübergänge wie kochendes Wasser oder das Schmelzen von Metall sind alltägliche aber faszinierende Phänomene, die auch nach Jahrzehnten noch Überraschungen bereithalten. Sie treten oft auf, wenn die Temperatur einer Substanz und die Bläschenbildung sich in der neuen Phase verändern, die dann expandiert. Am Ende nimmt die neue Phase den gesamten Behälter ein.

Das junge Universum bestand aus einem heißen Plasma, dessen Temperatur mit der Expansion des Universums abnahm. Viele Physiker vermuten, dass kurz nach dem Urknall ein Phasenübergang stattgefunden haben könnte. Das hätte dann zur Kernbildung von Blasen und nachfolgend zu deren Kollisionen geführt. Solche Kollisionen würden gewaltige Störungen in der Raumzeit verursachen, die mit geplanten Gravitationswellendetektoren registriert werden könnten. Die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mit einem voraussichtlich geplanten Start im Jahr 2037 ist eine solche Sonde, die diese Raumzeitstörungen im jungen Universum registrieren könnte.

Die Beschreibung von Phasenübergängen im jungen Universum ist allerdings anspruchsvoll. Oscar Henriksson, Mark Hindmarsh und Niko Jokela von der University of Helsinki gingen dieses Problem zusammen mit Kollegen der University of Oviedo und der University of Sussex an, indem sie eine Technik aus der Stringtheorie anwandten, die als holografische Dualität bezeichnet wird. Sie zeigten, wie die Dualität verwendet werden kann, um dieses Problem in ein besser lösbares Problem zu übertragen. Dabei demonstrierten sie, wie die wichtigen Eigenschaften die Kernbildung der Blasen beschrieben und und die damit zusammenhängenden Gravitatonswellensignale extrahieren werden können.

In Zukunft können diese neuen Methoden direkt auf realistischere Szenarien angewandt werden, wobei der Startpunkt eine mögliche Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik wäre.

Die Ergebnisse wurden am 29. März 2022 im Journal Physical Review Letters veröffentlicht. Die Gruppe geht auch das verbliebene Hindernis an – die Berechnung der Geschwindigkeit der Blasenwände, die für die erste vollständige Prinzipienbeschreibung von Phasenübergängen im jungen Universum gebraucht wird, sowie den Eindruck, den das im Gravitationswellenspektrum hinterlässt.

Studie: “Gravitational Waves at Strong Coupling from an Effective Action” von Fëanor Reuben Ares, Oscar Henriksson, Mark Hindmarsh, Carlos Hoyos, and Niko Jokela, Phys. Rev. Lett. 128, 131101

Quelle

(THK)

Werbung

Ersten Kommentar schreiben

Antworten

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.


*