Mørk inflation åbner et gravitationsvindue i de første øjeblikke efter Big Bang

Mørkt stof og mørk energi kan have drevet inflationen, den eksponentielle udvidelse af universet øjeblikke efter Big Bang. En ny kosmologisk model foreslået af fysikere ved universitetet i Warszawa, som er årsag til mørk inflation, er den første til at skitsere en præcis kronologi af de vigtigste begivenheder i vores univers' tidlige historie. Modellen giver en spektakulær forudsigelse - at det skulle være muligt at detektere gravitationsbølger dannet kun brøkdele af et sekund efter skabelsen af ​​rumtiden.

Hvad ved vi om universets udvikling umiddelbart efter Big Bang? På trods af omfattende forskning udført gennem årtier, nuværende kosmologiske modeller skitserer stadig ikke en præcis kronologi af begivenheder. Forskere ved Det Fysiske Fakultet ved University of Warszawa (UW Physics) har udviklet en ny model, hvor den eksponentielle udvidelse af mørkt stof og mørk energi spiller en nøglerolle. Den mørke inflationsmodel organiserer universets termiske historie i kronologisk rækkefølge og forudsiger, at vi snart skulle være i stand til at opdage primordiale gravitationsbølger dannet umiddelbart efter Big Bang.

Den tidligste struktur af universet, vi kan studere i dag, er kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling (CMB). Dette elektromagnetiske levn daterer sig tilbage til omkring 380, 000 år efter Big Bang og er overraskende homogen, selv i områder, der er så langt fra hinanden, at lyset ikke kunne have dækket afstanden mellem dem i den tid, der var til rådighed. I 1979, Alan Guth foreslog inflation som en simpel forklaring på denne ensartethed:De nuværende enorme afstande mellem de homogene regioner er så store, fordi på én gang, der var en ekstrem hurtig udvidelse af rumtiden, at forstørre en milliard milliarder milliarder gange på kun brøkdele af et sekund. Dette siges at være drevet af et hypotetisk inflationsfelt og partikler kendt som inflatoner.

"Det grundlæggende problem med inflation er, at vi ikke rigtig ved, hvornår det præcist skete, eller på hvilke energiniveauer. Den række af energier, hvor inflationen kunne have fundet sted, er enorm, strækker sig over 70 størrelsesordener, " forklarer prof. Zygmunt Lalak (UW Fysik). Han tilføjer, "Inflationen beskrives som en periode med superkølet ekspansion. for at kosmologiske modeller er konsistente, efter inflation, universet skulle have gennemgået en genopvarmning til en meget høj temperatur, og vi har ingen idé om, hvordan eller hvornår dette kan være sket. Ligesom med selve inflationen, vi har at gøre med energier på tværs af en række af 70 størrelsesordener. Som resultat, universets termiske historie mangler endnu at blive beskrevet."

Målinger af CMB-stråling via Planck-satellitten er blevet brugt til at estimere sammensætningen af ​​det nutidige univers. Det viser sig, at mørk energi udgør så meget som 69 procent af al eksisterende energi/stof, med mørkt stof omfattende 26 procent og almindeligt stof kun 5 procent. Mørkt stof og almindeligt stof interagerer slet ikke, eller deres interaktioner er så svage, at vi først lige er begyndt at bemærke mørkt stofs gravitationspåvirkning på stjerners bevægelser i galakser og galakser i hobe. Mørk energi bør være en faktor, der er ansvarlig for den accelererede udvidelse af universet.

"Vores inflationsmodel er væsentligt anderledes end dem, der blev foreslået tidligere. Vi startede med den antagelse, at siden i dag, mørkt stof og mørk energi udgør op til 95 procent af universets struktur, så må begge faktorer også have været ekstremt vigtige umiddelbart efter Big Bang. Det er derfor, vi beskriver universets mørke sektor som ansvarlig for inflationsprocessen, " forklarer Dr. Michal Artymowski (UW Physics), hovedforfatter af papiret udgivet i Journal of Cosmology and Astropartikelfysik .

I den foreslåede model, inflation er drevet af et skalært felt. Egenskaberne ved feltet betyder, at inflationen ikke er permanent, og den må komme til ophør - på et tidspunkt, universets ekspansionshastighed vil begynde at aftage i stedet for at accelerere. På tidspunktet for dette skift, nye relativistiske partikler dannes, opfører sig på samme måde som stråling. Nogle af disse partikler er beskrevet af standardmodellen, mens andre kan svare til partikler forudsagt af teorier ud over standardmodellen, såsom supersymmetri.

"I vores modeller, de nye partikler er resultatet af gravitation, hvilket er en meget svag kraft. Processen med dannelse af partikler er ineffektiv, og i slutningen af ​​inflationen, inflatoner fortsætter med at dominere universet, " siger Olga Czerwinska, Ph.D. studerende på UW Physics.

For at genskabe den observerede dominans af stråling i universet, inflatons bør tabe energi hurtigt. Forskerne foreslår to fysiske mekanismer, der kan være ansvarlige for processen. De afslører, at den nye model forudsiger begivenhedsforløbet i universets termiske historie med en langt større nøjagtighed end tidligere.

Modellens forudsigelser vedrørende primordiale gravitationsbølger er særligt interessante. Gravitationsbølger er vibrationer af rumtiden selv, og de er allerede blevet opdaget flere gange. I hvert tilfælde, deres kilde har været sammensmeltningen af ​​et par sorte huller eller neutronstjerner. Nuværende kosmologiske modeller forudsiger, at gravitationsbølger også skulle opstå som følge af inflation. Imidlertid, alle beviser tydede på, at vibrationer i rumtiden forårsaget af inflation ville være så svage nu, at ingen eksisterende eller fremtidige detektorer ville have været i stand til at registrere dem. Disse forudsigelser blev revideret, da fysikere fra universitetet i Warszawa tog hensyn til virkningerne af universets mørke sektor.

"Gravitationsbølger mister energi som stråling. inflatons skal miste det væsentligt hurtigere. Hvis inflationen involverede den mørke sektor, input af gravitationsbølger steg proportionalt. Det betyder, at spor af de oprindelige gravitationsbølger ikke er så svage, som vi oprindeligt troede, " tilføjer Dr. Artymowski.

De skøn, som Warszawa-fysikeren har lavet, er optimistiske. Data tyder på, at primordiale gravitationsbølger kunne detekteres af observatorier i øjeblikket på designstadiet eller under opførelse, såsom Deci-Hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO), Laser Interferometer Space Antenne (LISA), European Pulsar Timing Array (EPTA) og Square Kilometer Array (SKA). De første begivenheder kunne opdages i det kommende årti. For kosmologer, dette ville være en hidtil uset opdagelse, banede vejen for forskning i gravitationshændelser, der fandt sted umiddelbart efter Big Bang - en periode, der hidtil var umulig at studere.

Den mørke inflationsmodel har et andet fascinerende aspekt:​​den er stærkt afhængig af gravitationsteori. Ved at sammenligne modellens forudsigelser med data indsamlet af gravitationsobservatorier, kosmologer burde være i stand til at give nye verifikationer af Einsteins generelle relativitetsteori. Hvad sker der, hvis de finder uoverensstemmelser? Det ville betyde, at observationsdata giver den første information om egenskaberne ved reel tyngdekraft.