Физики моделируют критический период "перегрева", который положил начало Большому Взрыву в первой фракции секунды Вселенной.
Как говорится в теории Большого Взрыва, где-то 13,8 миллиардов лет назад Вселенная взорвалась и превратилась в бесконечно маленький, компактный огненный шар материи, который остыл по мере расширения, вызывая реакции, которые вызвали первые звезды и галактики, и все формы материи, которые мы видим (и есть) сегодня.
Непосредственно перед началом Большого взрыва, по мнению физиков, вселенная встала на свой постоянно расширяющийся курс, в игре произошла еще одна, более взрывоопасная фаза ранней вселенной: космическая инфляция, которая длилась менее триллионных долей секунды. В течение этого периода материя - холодная, однородная гулянка - накапливалась экспоненциально быстро, прежде чем процессы Большого взрыва перешли к более медленному расширению и диверсификации младенческой вселенной.
Недавние наблюдения независимо друг от друга подтвердили теории как Большого взрыва, так и космической инфляции. Однако эти два процесса настолько радикально отличаются друг от друга, что ученые с трудом представляли себе, как они следуют друг за другом.
В настоящее время физики Массачусетского технологического института, Кеньонского колледжа и других учебных заведений подробно смоделировали промежуточную фазу ранней вселенной, которая, возможно, позволила преодолеть космическую инфляцию Большим взрывом. Эта фаза, известная как "подогрев", произошла в конце периода космической инфляции и включала в себя процессы, в результате которых холодное, равномерное вещество инфляции было сведено в ультрагорячий, сложный суп, который находился в начале Большого Взрыва.
Период после инфляционного перегрева создает условия для Большого взрыва и в некотором смысле делает "взрыв" Большим взрывом", - говорит Давид Кайзер, профессор истории науки и физики Массачусетского технологического института в Гермесхаузене. "Это мостиковый период, когда весь ад разрывается и материя ведет себя не просто так."
Кайзер и его коллеги подробно симулировали взаимодействие множества форм материи в этот хаотичный период по окончании инфляции. Их моделирование показывает, что экстремальную энергию, которая привела к инфляции, можно было бы перераспределить так же быстро, за еще меньшую долю секунды и таким образом, чтобы создать условия, необходимые для начала Большого Взрыва.
Команда обнаружила, что это экстремальное преобразование было бы еще быстрее и эффективнее, если бы квантовые эффекты изменяли то, как материя реагировала на гравитацию при очень высоких энергиях, отклоняясь от того, как теория общей относительности Эйнштейна предсказывает материя и гравитация должна взаимодействовать.
"Это позволяет нам рассказать непрерывную историю - от инфляции до постинфляционного периода, от Большого взрыва и далее", - говорит Кайзер. "Мы можем проследить непрерывный набор процессов, и все это с помощью известной физики, сказать, что это один из вероятных способов, с помощью которого Вселенная стала выглядеть так, как мы видим ее сегодня."
Результаты команды представлены сегодня в письмах по физическому осмотру. Соавторами Кайзера являются ведущая писательница Рейчел Нгуен и Джон Т. Джиблин, оба из колледжа Кеньон, а также бывший аспирант Массачусетского технологического института Эвангелос Сфакианакис и Хоринде ван де Ви, оба из университета Лейдена в Нидерландах.
"Синхронизировано с самим собой"
Теория космической инфляции, впервые предложенная в 1980-х годах профессором физики В.Ф. Вайскопфом Аланом Гусом из Массачусетского технологического института, предсказывает, что Вселенная начиналась как очень маленький кусок материи, возможно, размером в сто миллиардов раз превышающий протон. Это пятно было заполнено ультра-высокоэнергетической материей, настолько энергичной, что давление внутри породило отталкивающую гравитационную силу - движущую силу инфляции. Как искра к взрывателю, эта гравитационная сила взорвала младенческую вселенную наружу, все быстрее и быстрее, увеличив ее почти в триллион раз ее первоначальный размер (это число 1 и 26 нулей), менее чем за триллионную долю секунды.
Кайзер и его коллеги попытались выяснить, как могли выглядеть самые ранние фазы перегрева - интервал моста в конце космической инфляции и непосредственно перед Большим взрывом.
"Самые ранние фазы нагревания должны быть отмечены резонансом. Одна из форм высокоэнергетической материи доминирует, и она встряхивается туда-сюда синхронно на больших пространствах, что приводит к взрывному производству новых частиц, - говорит Кайзер. "Такое поведение не будет продолжаться вечно, и как только он начнет передавать энергию во вторую форму материи, его собственные колебания станут более неустойчивыми и неравномерными в пространстве. Мы хотели измерить, сколько времени потребуется для того, чтобы этот резонансный эффект распался, а образовавшиеся частицы рассеялись друг от друга и достигли своего рода теплового равновесия, напоминающего условия Большого Взрыва".
Компьютерное моделирование представляет собой большую решетку, на которую они нанесли на карту различные формы материи и отследили, как изменялись их энергия и распределение в пространстве и во времени по мере изменения учеными определенных условий. Исходные условия моделирования были основаны на конкретной инфляционной модели - наборе прогнозов того, как раннее распределение материи во Вселенной могло происходить во время космической инфляции.
Универсальная настройка
Моделирование отслеживало поведение двух типов материи, которые могли быть доминирующими при надувании, очень похожих на тип частицы, бозон Хиггса, который наблюдался недавно в других экспериментах.
Перед тем как приступить к моделированию, команда добавила небольшую "подстройку" к описанию гравитации модели. В то время как обычное вещество, которое мы видим сегодня, реагирует на гравитацию так же, как Эйнштейн предсказал в своей теории общей относительности, вещество при гораздо более высоких энергиях, таких, как считалось, существовало во время космической инфляции, должно вести себя немного иначе, взаимодействуя с гравитацией таким образом, что изменяется квантовой механикой, или взаимодействия на атомном уровне.
В общей теории относительности Эйнштейна сила тяжести представлена в виде постоянной, которую физики называют минимальной связью, что означает, что, независимо от энергии конкретной частицы, она будет реагировать на гравитационные эффекты с силой, заданной универсальной постоянной.
Однако при очень высоких энергиях, предсказываемых при космическом надувании, материя взаимодействует с гравитацией несколько более сложным образом. Квантово-механические эффекты предсказывают, что сила тяжести может изменяться в пространстве и времени при взаимодействии с ультравысокоэнергетической материей - явление, известное как неминимальная связь.
В конце концов, они обнаружили, что чем сильнее квантово-модифицированный гравитационный эффект, тем быстрее вселенная переходит от холодной, однородной материи при надувании к гораздо более горячим, разнообразным формам материи, которые характерны для Большого взрыва.
Настройкой этого квантового эффекта они могут сделать этот решающий переход, состоящий из 2-3 "электронных складок", относящихся к периоду времени, в течение которого вселенная (приблизительно) утроится в размере. В этом случае им удалось смоделировать фазу перегрева за время, необходимое для того, чтобы вселенная утроилась в размере от двух до трех раз. Для сравнения, сама инфляция происходила более чем в 60 раз.
"Перегрев был безумным временем, когда все пошло наперекосяк", - говорит Кайзер. Мы показываем, что материя в то время взаимодействовала настолько сильно, что могла быстро расслабиться и, соответственно, прекрасно подготовить почву для Большого Взрыва". Мы не знали, что так оно и должно быть, но это то, что появляется из этих симуляций, и все это с известной физикой. Это то, что нас волнует."
Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США и Национальным научным фондом.
Канал Наука 2.0 , делает для вас только самое актуальное.
