Przejścia fazowe we wczesnym wszechświecie w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu

Przejścia fazowe we wczesnym wszechświecie to fundamentalne procesy, podczas których materia zmienia swoją strukturę i właściwości, generując przy tym ogromne ilości energii w postaci fal grawitacyjnych. W pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu, gdy temperatura wszechświata przekraczała 10¹⁵ kelwinów (biliony stopni), materia przechodziła przez serię dramatycznych transformacji – od stanu jednolitej, gorącej plazmy do struktury, którą obserwujemy dzisiaj. W 2023 roku tablice czasów pulsarów (NANOGrav, EPTA, PPTA) zarejestrowały pierwsze dowody na stochastyczne tło fal grawitacyjnych o częstościach nanohercowych – sygnał, który może częściowo pochodzić właśnie z przejść fazowych we wczesnym wszechświecie.

Znaczenie przejść fazowych trudno przecenić – stanowią one most łączący fizykę cząstek elementarnych z kosmologią, umożliwiając badanie warunków panujących w czasach niedostępnych dla żadnych eksperymentów naziemnych (najsilniejsze akceleratory osiągają energie ~10⁴ GeV, podczas gdy przejścia GUT zachodziły przy ~10¹⁶ GeV). Przejścia fazowe mogą ujawniać tajemnice ciemnej materii, pochodzenia asymetrii materii-antymaterii oraz istnienia egzotycznych obiektów kosmicznych. W tym artykule wyjaśnimy, czym dokładnie są przejścia fazowe, jak generują fale grawitacyjne i jakie niosą implikacje dla naszego rozumienia wszechświata.

Historia przejść fazowych w kosmologii – od lat 70. do dziś

Koncepcja przejść fazowych we wczesnym wszechświecie sięga lat siedemdziesiątych XX wieku, kiedy fizycy zdali sobie sprawę, że wszechświat musiał przejść przez serię transformacji termodynamicznych. Podobnie jak woda zmienia się w parę przy określonej temperaturze, pola kwantowe we wczesnym wszechświecie ulegały dramatycznym zmianom struktury, gdy temperatura spadała poniżej krytycznych wartości.

Przejścia fazowe są ściśle związane z łamaniem symetrii – fundamentalnym mechanizmem w fizyce cząstek elementarnych. W bardzo wysokich temperaturach wszystkie siły fundamentalne mogą być zunifikowane w jedną siłę. Jednak w miarę chłodzenia się wszechświata symetria ta ulega złamaniu, a różne siły oddzielają się od siebie. Proces ten jest analogiczny do krystalizacji – gdy ciecz chłodzi się poniżej punktu topnienia, cząsteczki organizują się w uporządkowaną strukturę krystaliczną.

Kluczowe przejścia fazowe w historii wszechświata

Przejście	Czas po Wielkim Wybuchu	Temperatura	Znaczenie
Wielkiej Unifikacji (GUT)	~10⁻³⁶ s	~10¹⁶ GeV	Rozdzielenie siły silnej od elektrosłabej
Elektrosłabe	~10⁻¹² s	~100 GeV	Rozdzielenie siły EM i słabej, nadanie masy cząstkom
QCD (kwarkowo-gluonowe)	~10⁻⁵ s	~150 MeV	Uwięzienie kwarków w hadronach

Pierwsze przejście fazowe o potencjalnie znaczących konsekwencjach obserwacyjnych to przejście elektrosłabe (~10⁻¹² s po Wielkim Wybuchu). W tym momencie siła elektromagnetyczna i słaba siła jądrowa rozdzieliły się. Jednak w ramach Modelu Standardowego przejście to jest gładkim crossoverem, nie ostrym przejściem pierwszego rzędu – co oznacza, że nie generuje znaczących fal grawitacyjnych.

Znacznie bardziej dramatyczne mogą być przejścia fazowe w sektorach poza Modelem Standardowym – w ukrytych sektorach, teoriach supersymetrycznych lub modelach z dodatkowymi wymiarami. Te przejścia mogą być przejściami pierwszego rzędu, generującymi ogromne ilości energii.

Przejścia fazowe pierwszego rzędu – mechanizm generacji fal grawitacyjnych

Przejścia fazowe pierwszego rzędu stanowią najważniejsze źródło fal grawitacyjnych we wczesnym wszechświecie. Proces ten zachodzi, gdy potencjał pola skalarnego posiada barierę potencjału oddzielającą fałszywą próżnię (stan o wyższej energii) od prawdziwej próżni (stan o niższej energii).

Nukleacja pęcherzyków i ich zderzenia

Przejście fazowe pierwszego rzędu inicjuje się poprzez tunelowanie kwantowe lub fluktuacje termiczne, które powodują, że pole skalarne przeskakuje barierę potencjału w zlokalizowanym obszarze. Prowadzi to do nukleacji sferycznych pęcherzyków – wewnątrz nich pole skalarne osiąga prawdziwą próżnię, podczas gdy na zewnątrz pozostaje w fałszywej próżni.

Jeśli nukleowane pęcherzyki mają promień większy od wartości krytycznej, rozszerzają się i ostatecznie zderzają ze sobą. Ekspansja i zderzenia pęcherzyków stanowią pierwsze źródło fal grawitacyjnych. Energia uwalniana podczas tego procesu jest ogromna – może odpowiadać energii równoważnej masie Słońca uwolnionej w objętości wielkości atomu.

Dynamika procesu zależy od czterech kluczowych parametrów:

• α (siła przejścia) – różnica energii między fałszywą a prawdziwą próżnią; dla α > 0,1 przejście jest silne
• T (temperatura przejścia)* – temperatura, w której przejście zachodzi
• β/H (szybkość przejścia)* – stosunek szybkości przejścia do parametru Hubble’a
• vw (prędkość ściany pęcherzyka) – prędkość rozszerzania się pęcherzyka, często bliska prędkości światła

Fale dźwiękowe w pierwotnej plazmie

Drugie, często dominujące źródło fal grawitacyjnych to fale dźwiękowe generowane w plazmie otaczającej rozszerzające się pęcherzyki. Gdy pęcherzyk rozszerza się, powoduje zaburzenia w otaczającej plazmie, generując fale dźwiękowe rozchodzące się promieniście.

W rzeczywistych przejściach fazowych większość uwolnionej energii próżni (nawet >90%) przekazywana jest do otaczającej plazmy w postaci fal dźwiękowych, a nie bezpośrednio w fale grawitacyjne z kolizji pęcherzyków. Fale dźwiękowe mogą istnieć znacznie dłużej niż sama faza przejścia, generując fale grawitacyjne przez wiele czasów Hubble’a po zakończeniu nukleacji.

Turbulencja magnetohydrodynamiczna (MHD)

Trzecim źródłem fal grawitacyjnych jest turbulencja MHD – chaotyczne ruchy plazmy generowane przez fale dźwiękowe i inne procesy dynamiczne. Spektrum fal grawitacyjnych z turbulencji MHD ma charakterystyczną postać: w niskich częstościach skaluje się jako f³, w pośrednich jako f², a w wysokich jako f⁻⁸/³. Ta unikalna sygnatura pozwala identyfikować źródło fal grawitacyjnych w danych obserwacyjnych.

Spektrum fal grawitacyjnych – co możemy zaobserwować?

Całkowite spektrum fal grawitacyjnych z przejścia fazowego pierwszego rzędu jest superpozycją trzech wkładów: kolizji pęcherzyków, fal dźwiękowych i turbulencji MHD. Każda komponenta ma charakterystyczną amplitudę i częstość szczytową zależną od parametrów przejścia.

Przewidywane parametry dla różnych przejść

Typ przejścia	Amplituda ΩGW	Częstość szczytowa	Detektor
Elektrosłabe (rozszerzone)	10⁻⁶ – 10⁻³	10⁻² – 10⁻¹ Hz	LISA
Sektor ukryty (~MeV)	10⁻¹² – 10⁻⁸	10⁻⁹ – 10⁻⁷ Hz	PTA
QCD/turbulencja MHD	10⁻¹⁰ – 10⁻⁸	~10⁻⁸ Hz	PTA
GUT (~10¹⁶ GeV)	10⁻¹⁶ – 10⁻¹²	10⁻⁴ – 10² Hz	LISA, ET

Dla przejścia elektrosłabego w rozszerzeniach Modelu Standardowego amplituda może osiągać wartości 10⁻⁶ do 10⁻³, a częstość szczytowa wynosi około 10⁻² do 10⁻¹ Hz – dokładnie w zasięgu przyszłościowej misji LISA (planowany start ~2035).

Przejścia fazowe poza Modelem Standardowym – okno na nową fizykę

Podczas gdy przejście elektrosłabe w ramach Modelu Standardowego jest gładkim crossoverem, wiele rozszerzeń przewiduje przejścia pierwszego rzędu w sektorach ukrytych – obszarach fizyki niedostępnych dla bezpośrednich obserwacji, ale oddziałujących z materią zwykłą poprzez grawitację.

Teorie supersymetryczne, modele z dodatkowymi wymiarami i teorie wielkiej unifikacji (GUT) mogą przewidywać przejścia pierwszego rzędu w temperaturach od 10⁶ GeV (sektory ukryte) do 10¹⁶ GeV (przejścia GUT). Każde z tych przejść generowałoby charakterystyczne spektrum fal grawitacyjnych, pozostawiając obserwacyjny ślad w danych z LISA, Einstein Telescope czy przyszłych detektorów trzeciej generacji.

Pola magnetyczne pierwotne i ich rola

Pierwotne pola magnetyczne – generowane podczas przejść fazowych lub innych procesów we wczesnym wszechświecie – mogą następnie generować fale grawitacyjne poprzez turbulencję MHD. Szczególnie interesujący jest przypadek turbulencji w skali QCD: fale grawitacyjne mogą być generowane dokładnie przy częstościach nanohercowych obserwowanych przez tablice czasów pulsarów.

To otwiera fascynującą możliwość: część sygnału wykrytego przez NANOGrav/EPTA w 2023 roku może pochodzić nie tylko od binarnych supermasywnych czarnych dziur, ale również od przejść fazowych lub turbulencji MHD we wczesnym wszechświecie.

Obserwacyjne ślady przejść fazowych – obecne i przyszłe detektory

Przejścia fazowe we wczesnym wszechświecie pozostawiają obserwacyjne ślady w kilku kanałach.

Tablice czasów pulsarów (PTA) – nanohercowe okno

Tablice czasów pulsarów są czułe na fale o częstościach ~1 nHz – zakres, gdzie mogą być obserwowane sygnały z przejść fazowych w sektorach ukrytych lub z turbulencji MHD w skali QCD. Odkrycie z 2023 roku (NANOGrav, EPTA, PPTA) stanowi początek nowej dziedziny – wczesnej kosmologii fal grawitacyjnych. Pochodzenie sygnału pozostaje przedmiotem badań: może to być kombinacja binarnych czarnych dziur i przejść fazowych.

LISA – przejścia elektrosłabe (~2035)

Detektor LISA (częstości 10⁻⁴ – 1 Hz) będzie czuły na fale z przejść elektrosłabych w rozszerzeniach Modelu Standardowego. Przejścia w teoriach supersymetrycznych mogą generować sygnały wykrywalne przez LISA, szczególnie dla silnych przejść (α > 0,1) i szybkich (β/H* > 10).

Polaryzacja CMB – ślady pośrednie

Przejścia fazowe mogą wpływać na polaryzację kosmicznego mikrofalowego promieniowania poprzez zmianę liczby stopni swobody relatywistycznych lub generowanie pierwotnych pól magnetycznych. Przyszłe misje jak LiteBIRD i CMB-S4 będą szukać tych śladów.

Implikacje dla fizyki fundamentalnej – testowanie teorii poza Modelem Standardowym

Obserwacje fal grawitacyjnych z przejść fazowych mogą dostarczyć bezpośrednich informacji o fizyce poza Modelem Standardowym. Każde przejście pozostawia charakterystyczne spektrum zależne od parametrów teorii fundamentalnej.

Poprzez porównanie obserwowanych spektrów z przewidywaniami, fizycy mogą testować hipotezy dotyczące:

• Wielkiej unifikacji – czy wszystkie siły fundamentalne są zunifikowane w wysokich energiach
• Supersymetrii – czy każda cząstka ma supersymetryczną partnerkę
• Dodatkowych wymiarów – czy wszechświat ma więcej niż cztery wymiary
• Ciemnej materii – czy ciemna materia jest związana z przejściami w sektorach ukrytych

Przyszłość obserwacji – globalna sieć detektorów

Przyszłość obserwacji fal grawitacyjnych z przejść fazowych jest niezwykle obiecująca. IPTA (z przyszłościowym SKA) będzie zbierać dane o coraz wyższej jakości w paśmie nanohercowym. LISA (start ~2035) otworzy okno na przejścia elektrosłabe. Einstein Telescope i Cosmic Explorer będą obserwować fale z całego obserwowalnego wszechświata. Przyszłościowe detektory atomowe (AION, ELGAR) wypełnią lukę między LISA a detektorami naziemnymi.

Połączenie wszystkich obserwatoriów w globalną sieć stworzy bezprecedensową czułość – od 10⁻¹⁷ Hz (CMB) do ponad 10⁴ Hz (detektory rezonansowe) – umożliwiając obserwacje przejść fazowych z całej historii wszechświata.

Podsumowanie – most między fizyką cząstek a kosmologią

Przejścia fazowe we wczesnym wszechświecie stanowią jedno z najfascynujących zagadnień współczesnej nauki. Poprzez generowanie fal grawitacyjnych pozostawiają obserwacyjne ślady wykrywalne przez zaawansowane detektory – od tablic czasów pulsarów, przez LISA, po przyszłe obserwatoria trzeciej generacji.

Obserwacje fal grawitacyjnych z przejść fazowych mogą ujawnić tajemnice fizyki poza Modelem Standardowym, dostarczając bezpośrednich informacji o warunkach panujących w pierwszych 10⁻¹² sekundy po Wielkim Wybuchu – czasach, gdy temperatura przekraczała biliony stopni, a materia przechodziła dramatyczne transformacje. Przejścia fazowe stanowią most łączący mikroskalę fizyki cząstek z makroskalą kosmologii – most, który fizycy dopiero zaczynają przechodzić.

---

Najczęściej zadawane pytania

Czy przejścia fazowe we wczesnym wszechświecie wpłynęły na dzisiejszą strukturę kosmosu?

Tak, przejścia fazowe miały długotrwałe konsekwencje. Mogły wpłynąć na liczbę stopni swobody relatywistycznych (co zmienia ewolucję wszechświata), wygenerować pierwotne pola magnetyczne obserwowane dziś w galaktykach, lub nawet stworzyć pierwotne czarne dziury. Przejście QCD (~10⁻⁵ s) było kluczowe dla powstania protonów i neutronów, z których zbudowana jest cała widzialna materia.

Co oznacza parametr α i dlaczego jest ważny?

Parametr α opisuje względną różnicę energii między fałszywą a prawdziwą próżnią – czyli „siłę” przejścia fazowego. Dla α > 0,1 przejście jest silne i generuje znaczące fale grawitacyjne wykrywalne przez LISA lub PTA. Dla α < 0,01 przejście jest słabe, a fale grawitacyjne są trudne do wykrycia obecnymi metodami.

Czy przejścia fazowe mogą wyjaśnić naturę ciemnej materii?

To jedna z fascynujących możliwości. W wielu teoriach ciemna materia może być generowana podczas przejść fazowych w sektorach ukrytych. Obserwacje charakterystycznego spektrum fal grawitacyjnych z takich przejść mogłyby dostarczyć pośrednich dowodów na istnienie sektorów ukrytych i naturę ciemnej materii – nawet jeśli bezpośrednia detekcja cząstek ciemnej materii pozostaje poza naszym zasięgiem.

Jak odróżnić sygnał od przejść fazowych od sygnału od binarnych czarnych dziur?

Kluczem jest kształt spektrum. Binarne supermasywne czarne dziury generują spektrum o charakterystycznym nachyleniu f⁻²/³ w zakresie nanohercowym. Przejścia fazowe generują spektra o innych kształtach – np. turbulencja MHD daje spektrum f³ → f² → f⁻⁸/³. Analiza kształtu spektralnego sygnału z PTA pozwoli w przyszłości rozdzielić te wkłady.

Kiedy możemy spodziewać się rozstrzygających obserwacji?

Tablice czasów pulsarów (szczególnie po uruchomieniu SKA ~2027-2030) będą gromadzić dane o coraz wyższej jakości, umożliwiając precyzyjną analizę spektralną sygnału nanohercowego. LISA (~2035) otworzy zupełnie nowe okno na przejścia elektrosłabe. W perspektywie 10-15 lat możemy spodziewać się przełomowych odkryć dotyczących fizyki wczesnego wszechświata.

Źródła:

Ning, Z., Yuwen, Z.-Y., Zeng, X.-X., Cai, R.-G., & Wang, S.-J. (2024). Acoustic gravitational waves from primordial curvature perturbations.

Maleknejad, A. (2024). When Geometry Radiates Review: Gravitational Waves in Theory, Cosmology, and Observation.