Evolution of Cosmic String Loops under Gravitational Backreaction

في اللحظات الأولى للكون، أي بعد جزء من الثانية من الانفجار العظيم، ربما انفصلت القوى الأساسية للطبيعة عن بعضها البعض في عملية تُعرف بكسر التناظر. هذا الحدث، الذي يشبه إلى حد كبير تجمد الماء ليصبح جليداً، يمكن أن يكون قد ترك وراءه ندوباً دائمة في نسيج الفضاء نفسه. هذه الندوب هي الأوتار الكونية: خطوط طاقة رقيقة للغاية وثقيلة بشكل لا يصدق تمتد عبر الكون. وبينما هي أجسام نظرية تتنبأ بها العديد من نماثج فيزياء الطاقة العالية، إلا أنه لم يتم رصدها مباشرة قط. وإذا كانت موجودة، فستكون أكثر الأجسام ضخامة في الكون بالنسبة لحجمها، وحركتها ستحدث تموجات في الزمكان، مما يخلق موجات جاذبية قد نتمكن يوماً ما من اكتشافها.

تُسمى الميزات الأكثر دراماتيكية لهذه الأوتار بالنتوءات (cusps). فبينما يهتز حلقة من الوتر الكوني ويلتوي تحت تأثير توتره الخاص، تمر لحظات يتسارع فيها جزء صغير منه حتى يصل للحظة وجيزة إلى سرعة الضوء. وفي هذه اللحظة الدقيقة، يعمل الوتر مثل منارة كونية، حيث يطلق شعاعاً قوياً وضيقاً من إشعاع الجاذبية في الفضاء. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذه الانفجارات ستكون أسهل طريقة للعثور على الأوتار الكونية، لأن إشارتها يُتوقع أن تكون قوية ومتميزة للغاية. ومع ذلك، فقد افترضت هذه الصورة أن الأوتار تتحرك عبر فراغ مثالي وغير متغير. وفي الواقع، الأوتار ضخمة جداً لدرجة أنها تحني الفضاء من حولها، وهذا الفضاء المنحني يدفع الأوتار في المقابل، مما يغير حركتها. تبحث هذه الورقة البحثية تحديداً في كيفية تغيير هذا "الدفع المرتد" لقصة النتوء.

قام فريق من الباحثين بتطوير طريقة جديدة لمحاكاة هذه الأوتار، مما يسمح لهم بمراقبة تطور الأوتار بشكل مستمر في الزمن مع مراع وتح تأثير جاذبيتها الخاصة. الطرق السابقة كانت تعامل الأوتار كما لو كانت تتحرك في خط مستقيم لدورة اهتزاز كاملة قبل تطبيق تأثيرات جاذبيتها كعامل تصحيح. هذا النهج الجديد يشبه كاميرا عالية السرعة تلتقط كل جزء من الثانية من حركة الوتر، بما في ذلك الجزء من الثانية الذي يصل فيه إلى سرعة الضوء. ومن خلال تشغيل هذه المحاكاة التفصيلية، اكتشف الفريق أن النتوءات لا تختفي؛ فالوتر لا يزال يصل إلى سرعة الضوء، والنتوء لا يزال يتشكل، تماماً كما تنبأت النظريات القديمة. إن الحدث الدراماتيكي يصمد أمام دفع الجاذبية.

ومع ذلك، فإن الإشارة التي تصل إلى مراقب بعيد ليست كما كان متوقعاً. فبينما لا يزال النتوء يحدث على الوتر نفسه، فإن موجة الجاذبية التي يرسلها تتغير بشكل كبير. فالقمة الحادة التي تشبه الإبرة والتي كان العلماء يأملون رؤيتها في الإشارة، قد تم تنعيمها. وبدلاً من أن تكون نبضة مفاجئة وعنيفة، تصبح الموجة أكثر استدارة. هذا التأثير التنعيمي يضع حداً لأقصى تردد يمكن أن تصل إليه الإشارة. بالنسبة للأوتار ذات قدر معين من التوتر، تنخفض الإشارة بسرعة فوق تردد محدد، مما يؤدي فعلياً إلى قطع الجزء عالي النبرة من الصوت. ووجد الباحثون أن تردد القطع هذا يعتمد على توتر الوتر؛ فكلما كان الوتر أثقل، انخفض التردد الذي تختفي عنده الإشارة.

يغير هذا الاكتشاف التوقعات المتعلقة بالعثور على هذه الأجسام الكونية. تظهر المحاكاة الجديدة أن الكواشف الأرضية الأكثر حساسية العاملة حالياً، من المرجح أن تكون الإشارة المتوقعة من انفجار النتوء ضعيفة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها، لأن الجزء عالي التردد من الإشارة قد تم كبحه. إن الجزء "الصاخب" من الانفجار الذي تعتمد عليه هذه الكواشف قد اختفى. الوضع مختلف بالنسبة لمرصد الفضاء المخطط له، "ليزا" (LISA). فقد حسب الباحثون أن "ليزا" قد لا يزال بإمكانه اكتشاف هذه الانفجارات، ولكن فقط إذا كانت الأوتار تمتلك توتراً ضمن نطاق محدد للغاية؛ فإذا كانت الأوتار ثقيلة جداً، سيتم قطع الإشارة قبل أن تصل إلى نطاق تردد المرصد، وإذا كانت خفيفة جداً، فستكون الإشارة ببساطة ضعيفة جداً بحيث لا يمكن سماعها.

يوفر هذا العمل رؤية أكثر واقعية لكيفية سلوك الأوتار الكونية، متجاوزاً النماذج المثالية ليشمل التغذية الراجعة المعقدة لجاذبيتها الخاصة. وقد أكد الفريق أن الطاقة التي تفقدها الأوتار تتوافق مع كمية الطاقة المتوقع إشعاعها كموجات جاذبية، مما يثبت صحة طريقتهم الجديدة. كما أظهروا أن تنعيم الإشارة هو نتيجة مباشرة لتباطؤ حركة الوتر قليلاً بسبب جاذبيته الخاصة تماماً عند وصوله إلى سرعة الضوء. وبينما لا يزال حدث النتوء الدراماتيكي يحدث، تعمل جاذبية الكون كمرشح (فلتر)، مما يخمد الإشارة ويجعل البحث عن هذه البقايا الكونية أكثر صعوبة مما كان يُعتقد سابقاً. إن رحلة البحث عن الأوتار الكونية مستمرة، لكن الخريطة التي تحدد أين يجب البحث وماذا نتوقع قد أُعيد رسمها.