Gravitational waves from strong first-order phase transitions in an expanding Universe

في اللحظات الأولى لكوننا، بعد أجزاء ضئيلة من الثانية فقط من الانفجار العظيم، لم يكن الكون ذلك الامتداد الهادئ والبارد الذي نراه اليوم. بدلاً من ذلك، كان عبارة عن حساء هائج وفائق السخونة من الطاقة والجسيمات التي تمر بتحول دراماتيكي. ومثلما يتحول الماء إلى جليد، يمكن للمجالات الأساسية للطبيعة أن تنتقل من حالة إلى أخرى. وعندما يحدث هذا التحول بشكل مفاجئ وعنيف، بدلاً من كونه تدريجياً، يُسمى انتقال طوري من الدرجة الأولى. وخلال هذه الأحداث، تبدأ فقاعات من حالة المادة الجديدة المستقرة في التكون داخل الحالة القديمة غير المستقرة. ومع توسع هذه الفقاعات واصطدامها ببعضها البعض في نهاية المطاف، فإنها تحرك السائل الكوني بقوة هائلة. هذا الاضطراب العنيف يخلق تموجات في نسيج الزمان والمكان نفسه، تُعرف بموجات الجاذبية. وبينما تكون هذه الموجات خافتة للغاية بحيث لا يمكن الشعليم بها بالأيدي البشرية، إلا أنها تحمل بصمة فريدة لطفولة الكون. واليوم، يتم بناء أدوات قوية للاستماع إلى هذه الهمسات القادمة من فجر الزمان، على أمل فك رموز تاريخ كيفية تشكل كوننا.

لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو فهم ما يجب أن تبدو عليه موجات الجاذبية هذه بالضبط. فمن خلال تشغيل محاكاة حاسوبية معقدة ثلاثية الأبعاد للكون المبكر، قاموا بنمذجة كيفية حدوث هذه التحولات الطورية العنيفة مع توسع الكون. ويركز عملهم على سيناريو محدد حيث يكون الانتقال قوياً وتنمو فيه فقاعات المادة الجديدة ببطء كافٍ للتفاعل بعمق مع السائل المحيط. ووجد العلماء أن المصدر الرئيسي لموجات الجاذبية ليس الاصطدام الأولي للفقاعات نفسها، كما اقترحت بعض النظريات السابقة، بل هو الموجات الصوتية القوية التي تتردد عبر السائل بعد اندماج الفقاعات. تهيمن هذه الموجات الصوتية على الإشارة، مما يخلق نمطاً متميزاً هو أكثر صخباً وأهمية بكثير من الضجيج الناتج عن اصطدامات الفقاعات.

كشفت عمليات المحاكاة عن بنية مفاجئة في موجات الجاذبية الناتجة عن هذه الموجات الصوتية. فبدلاً من منحنى واحد سلس، تعرض الإشارة ذروتين متميزتين؛ حيث تقابل إحدى الذروتين متوسط المسافة بين الفقاعات عند تشكلها، بينما تتعلق الأخرى بسمك غلاف السائل الذي تدفعه الفقاعات المتوسعة للخارج. تعمل ميزة الذروة المزدوجة هذه كبصمة، مما يوفر طريقة للتلسكوبات المستقبلية لتحديد الظروف المحددة للكون المبكر. كما اكتشف الباحثون أن قوة الانتقال الطوري تحدد مدة استمرار هذه الموجات الصوتية؛ فبالنسبة للتحولات الأضعف، يمكن للموجات الصوتية أن تستمر لفترة أطول من الوقت الذي يستغرقه الكون لمضاعفة حجمه، بينما في التحولات الأكثر عنفاً، تتبدد الطاقة بسرعة أكبر. علاوة على ذلك، تولد الاصطدامات العنيفة حركات دوامية، أو أنماط دوران، داخل السائل، وتزداد شدة هذه الدوامات مع قوة الانتقال.

كما قارنت الدراسة طريقتين مختلفتين لتوسع الفقاعات: كالانفجارات (detonations)، التي تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الصوت في السائل، وكالتمددات (deflagrations)، التي تتحرك بسرعة أبطأ. وأظهرت النتائج أن موجات الجاذبية الناتجة عن التمددات لها انخفاض أكثر حدة عند الترددات العالية مقارنة بتلك الناتجة عن الانفجارات. وهذا الاختلاف في شكل الإشارة أمر بالغ الأهمية للتمييز بين أنواع مختلفة من الأحداث الكونية. بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أنه عند أخذ توسع الكون في الاعسبار، كانت القوة الإجمالية لموجات الججاذبية أضعف بعشر مرات مما توقعته عمليات المحاكاة السابقة التي تجاهلت هذا التوسع. ويعد هذا التصحيح حيوياً للتنبؤ بما ستلاحظه بالفعل الكواشف المستقبلية، مثل مرصد "ليزر إنترفيروميتر فضاء" (LISA). ومن خلال صقل فهمنا لهذه الأحداث الكونية، يقربنا هذا العمل من سماع القصة الحقيقية لميلاد الكون العنيف.