W historii o tym, jak powstał nasz wszechświat, jest dziura. Po pierwsze, wszechświat nadmuchał się gwałtownie, jak balon. Potem wszystko rozkwitło.
Ale sposób, w jaki te dwa okresy są ze sobą powiązane, umknął fizykom. Teraz nowe badanie sugeruje sposób połączenia dwóch epok.
W pierwszym okresie wszechświat rozrósł się z niemal nieskończenie małego punktu do prawie ośmiokiliona (to jest 1, po którym następuje 27 zer) razy tyle, ile wynosi mniej niż trylion sekundy. Po tym okresie inflacji nastąpił bardziej stopniowy, ale gwałtowny, okres ekspansji znany jako Wielki Wybuch. Podczas Wielkiego Wybuchu niesamowicie gorąca kula ognia podstawowych cząstek - takich jak protony, neutrony i elektrony - rozszerzyła się i ochłodziła, tworząc atomy, gwiazdy i galaktyki, które widzimy dzisiaj.
Teoria Wielkiego Wybuchu, opisująca kosmiczną inflację, pozostaje najszerzej popartym wyjaśnieniem, w jaki sposób powstał nasz wszechświat, ale naukowcy wciąż są zakłopotani tym, jak te całkowicie różne okresy ekspansji są ze sobą powiązane. Aby rozwiązać tę kosmiczną zagadkę, zespół naukowców z Kenyon College, Massachusetts Institute of Technology (MIT) i holenderskiego Uniwersytetu Leiden przeprowadził symulację krytycznego przejścia między kosmiczną inflacją a Wielkim Wybuchem - okres, który nazywają „dogrzewaniem”.
„Okres podgrzewania po inflacji stwarza warunki dla Wielkiego Wybuchu i, w pewnym sensie, umieszcza„ Wybuch ”w Wielkim Wybuchu” - powiedział w oświadczeniu David Kaiser, profesor fizyki w MIT. „To ten okres pomostowy, w którym rozpęta się piekło, a materia zachowuje się w prosty sposób”.
Kiedy wszechświat rozszerzył się w mgnieniu oka podczas kosmicznej inflacji, cała istniejąca materia została rozłożona, pozostawiając wszechświat chłodne i puste miejsce, pozbawione gorącej zupy cząstek potrzebnych do rozpalenia Wielkiego Wybuchu. Uważa się, że w okresie podgrzewania inflacja napędzająca energię rozpada się na cząstki, powiedziała Rachel Nguyen, doktorant fizyki na University of Illinois i główny autor badania.
„Po wytworzeniu tych cząstek odbijają się i pukają w siebie, przenosząc pęd i energię” - powiedział Nguyen Live Science. „I to właśnie termizuje i ogrzewa wszechświat, aby ustawić początkowe warunki Wielkiego Wybuchu”.
W swoim modelu Nguyen i jej koledzy symulowali zachowanie egzotycznych form materii zwanych inflatonami. Naukowcy uważają, że te hipotetyczne cząstki, podobne z natury do bozonu Higgsa, stworzyły pole energetyczne, które napędzało kosmiczną inflację. Ich model pokazał, że we właściwych warunkach energia inflatonów może być skutecznie rozdzielona w celu stworzenia różnorodności cząstek potrzebnych do ponownego ogrzania wszechświata. Opublikowali swoje wyniki 24 października w czasopiśmie Physical Review Letters.
Tygiel dla fizyki wysokich energii
„Kiedy badamy wczesny wszechświat, tak naprawdę robimy eksperyment z cząsteczkami w bardzo, bardzo wysokich temperaturach” - powiedział Tom Giblin, profesor fizyki w Kenyon College w Ohio i współautor badań. „Przejście od zimnego okresu inflacyjnego do gorącego okresu powinno zawierać kluczowe dowody na to, jakie cząstki naprawdę istnieją przy tak ekstremalnie wysokich energiach”.
Jednym z fundamentalnych pytań, które dręczą fizyków, jest to, jak grawitacja zachowuje się przy ekstremalnych energiach obecnych podczas inflacji. W teorii ogólnej teorii względności Alberta Einsteina uważa się, że grawitacja wpływa na całą materię w ten sam sposób, gdzie siła grawitacji jest stała niezależnie od energii cząstki. Jednak ze względu na dziwny świat mechaniki kwantowej naukowcy uważają, że przy bardzo wysokich energiach materia reaguje na grawitację inaczej.
Zespół uwzględnił to założenie w swoim modelu, modyfikując siłę oddziaływania cząstek z grawitacją. Odkryli, że im bardziej zwiększają siłę grawitacji, tym bardziej skutecznie inflatony przekazują energię, by wytworzyć zoo cząstek gorącej materii znalezionych podczas Wielkiego Wybuchu.
Teraz muszą znaleźć dowody na poparcie swojego modelu gdzieś we wszechświecie.
„Wszechświat kryje tak wiele tajemnic zakodowanych w bardzo skomplikowany sposób” - powiedział Giblin Live Live. „Naszym zadaniem jest dowiedzieć się o naturze rzeczywistości, opracowując urządzenie dekodujące - sposób wydobywania informacji ze wszechświata. Używamy symulacji, aby przewidywać, jak powinien wyglądać wszechświat, abyśmy mogli rozpocząć dekodowanie. Ten okres podgrzewania powinien pozostawić ślad gdzieś we wszechświecie. Musimy go tylko znaleźć. ”
Ale znalezienie tego odcisku może być trudne. Nasze najwcześniejsze spojrzenie na wszechświat to bąbelek promieniowania pozostały po kilkuset tysiącach lat po Wielkim Wybuchu, zwany kosmicznym mikrofalowym tłem (CMB). Jednak CMB tylko wskazuje na stan wszechświata podczas tych pierwszych krytycznych sekund narodzin. Fizycy tacy jak Giblin mają nadzieję, że przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych dostarczą ostatecznych wskazówek.
