Fysikere simulerer kritisk genopvarmningsperiode, der kickstartede Big Bang

Som Big Bang -teorien går, et sted for omkring 13,8 milliarder år siden eksploderede universet, som en uendelig lille, kompakt ildkugle af stof, der afkøledes, da det ekspanderede, udløser reaktioner, der kogte de første stjerner og galakser op, og alle former for stof, som vi ser (og er) i dag.

Lige før Big Bang lancerede universet på sit stadigt voksende forløb, fysikere tror, der var en anden, mere eksplosiv fase af det tidlige univers i spil:kosmisk inflation, som varede mindre end en billionion af et sekund. I denne periode, sagen - forkølelse homogen goop - oppustet eksponentielt hurtigt, før processerne ved Big Bang tog over for langsommere at udvide og diversificere spædbarnsuniverset.

Nylige observationer har uafhængigt understøttet teorier om både Big Bang og kosmisk inflation. Men de to processer er så radikalt forskellige fra hinanden, at forskere har kæmpet for at forestille sig, hvordan den ene fulgte den anden.

Nu fysikere på MIT, Kenyon College, og andre steder har detaljeret simuleret en mellemfase af det tidlige univers, der kan have broet mellem kosmisk inflation og Big Bang. Denne fase, kendt som "genopvarmning, "opstod i slutningen af ​​den kosmiske inflation og involverede processer, der kæmpede for inflationens kulde, ensartet stof ind i ultrahotet, kompleks suppe, der var på plads i starten af ​​Big Bang.

"Efteropvarmningsperioden til genopvarmning sætter betingelserne for Big Bang, og på en eller anden måde sætter 'banget' i Big Bang, "siger David Kaiser, Germeshausen -professor i videnskabshistorie og professor i fysik ved MIT. "Det er denne broperiode, hvor alt helvede bryder løs og materie opfører sig på alt andet end en enkel måde."

Kaiser og hans kolleger simulerede detaljeret, hvordan flere former for stof ville have interageret i denne kaotiske periode ved inflationens afslutning. Deres simuleringer viser, at den ekstreme energi, der drev inflationen, lige så hurtigt kunne have været omfordelt, inden for en endnu mindre brøkdel af et sekund, og på en måde, der gav betingelser, der ville have været nødvendige for starten af ​​Big Bang.

Teamet fandt ud af, at denne ekstreme transformation ville have været endnu hurtigere og mere effektiv, hvis kvanteeffekter ændrede måden, hvorpå stoffet reagerede på tyngdekraften ved meget høje energier, afviger fra den måde Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger stof og tyngdekraften bør interagere.

"Dette gør det muligt for os at fortælle en ubrudt historie, fra inflation til postinflationsperioden, til Big Bang og videre, "Kaiser siger." Vi kan spore et kontinuerligt sæt processer, alle med kendt fysik, at sige, at dette er en sandsynlig måde, hvorpå universet kom til at se ud, som vi ser det i dag. "

Holdets resultater vises i dag i Fysisk gennemgangsbreve . Kaisers medforfattere er hovedforfatter Rachel Nguyen, og John T. Giblin, begge Kenyon College, og tidligere MIT -kandidatstuderende Evangelos Sfakianakis og Jorinde van de Vis, begge fra Leiden University i Holland.

"Synkroniseret med sig selv"

Teorien om kosmisk inflation, først foreslået i 1980'erne af MIT's Alan Guth, V.F. Weisskopf professor i fysik, forudsiger, at universet begyndte som et ekstremt lille stykke stof, muligvis omkring en hundrede milliarddel på størrelse med en proton. Denne plet var fyldt med ultrahøj energi-stof, så energisk, at trykket indeni genererede en frastødende tyngdekraft - drivkraften bag inflationen. Som en gnist til en sikring, denne tyngdekraft eksploderede spædbarnsuniverset udad, i en stadig hurtigere hastighed, at pumpe den op til næsten en oktillion gange sin oprindelige størrelse (det er tallet 1 efterfulgt af 26 nuller), på mindre end en billionion af et sekund.

Kaiser og hans kolleger forsøgte at finde ud af, hvordan de tidligste faser af genopvarmning - det brointerval i slutningen af ​​den kosmiske inflation og lige før Big Bang - kunne have set ud.

"De tidligste faser af genopvarmning bør være præget af resonanser. En form for højenergimateriale dominerer, og det ryster frem og tilbage synkroniseret med sig selv over store rumområder, fører til eksplosiv produktion af nye partikler, "Kaiser siger." Den adfærd vil ikke vare evigt, og når den begynder at overføre energi til en anden form for stof, sine egne gynger bliver mere hakkete og ujævne på tværs af rummet. Vi ville måle, hvor lang tid det ville tage, før den resonante effekt brød op, og for at de producerede partikler spreder hinanden og kommer til en slags termisk ligevægt, minder om Big Bang -forhold. "

Holdets computersimuleringer repræsenterer et stort gitter, hvorpå de kortlagde flere former for stof og sporede, hvordan deres energi og distribution ændrede sig i rummet og over tid, da forskerne varierede visse forhold. Simuleringens indledende betingelser var baseret på en bestemt inflationsmodel - et sæt forudsigelser for, hvordan det tidlige universs fordeling af stof kan have opført sig under kosmisk inflation.

Forskerne valgte denne særlige inflationsmodel frem for andre, fordi dens forudsigelser nøje matcher højpræcisionsmålinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund-et restglød af stråling udsendt kun 380, 000 år efter Big Bang, som menes at indeholde spor af inflationstiden.

En universel tweak

Simuleringen sporede adfærden for to typer materie, der kan have været dominerende under inflationen, meget lig en type partikel, Higgs boson, der blev for nylig observeret i andre forsøg.

Inden de kører deres simuleringer, holdet tilføjede en lille "tweak" til modellens beskrivelse af tyngdekraften. Mens almindeligt stof, som vi ser i dag, reagerer på tyngdekraften ligesom Einstein forudsagde i sin teori om generel relativitet, betyder noget ved meget højere energier, såsom hvad der menes at have eksisteret under kosmisk inflation, skal opføre sig lidt anderledes, interagerer med tyngdekraften på måder, der ændres ved kvantemekanik, eller interaktioner i atomskala.

I Einsteins teori om generel relativitetsteori, tyngdekraftens styrke er repræsenteret som en konstant, med hvad fysikere omtaler som en minimal kobling, betyder det, uanset energien i en bestemt partikel, det vil reagere på tyngdekraftseffekter med en styrke fastsat af en universel konstant.

Imidlertid, ved de meget høje energier, der forudsiges i kosmisk inflation, stof interagerer med tyngdekraften på en lidt mere kompliceret måde. Kvantemekaniske virkninger forudsiger, at tyngdekraften kan variere i rum og tid, når den interagerer med ultrahøj energi-stof-et fænomen kendt som ikke-minimal kobling.

Kaiser og hans kolleger indarbejdede et ikke -minimalt koblingsbegreb til deres inflationsmodel og observerede, hvordan fordelingen af ​​stof og energi ændrede sig, da de skruede denne kvanteeffekt op eller ned.

Til sidst fandt de ud af, at jo stærkere den kvantemodificerede tyngdekraftseffekt påvirkede stof, jo hurtigere universet overgik fra kulden, homogent stof i inflationen til den meget varmere, forskellige former for stof, der er karakteristiske for Big Bang.

Ved at indstille denne kvanteeffekt, de kunne få denne afgørende overgang til at finde sted over 2 til 3 "e-foldninger, "med henvisning til den tid, det tager for universet (nogenlunde) at tredoble i størrelse. I dette tilfælde, det lykkedes dem at simulere genopvarmningsfasen inden for den tid, det tager for universet at tredoble i størrelse to til tre gange. Til sammenligning, selve inflationen fandt sted over omkring 60 e-folds.

"Genopvarmning var en vanvittig tid, da alt gik galt, "Kaiser siger." Vi viser, at sagen interagerede så stærkt på det tidspunkt, at den også kunne slappe af tilsvarende hurtigt, smukt sætter scenen for Big Bang. Vi vidste ikke, at det var tilfældet, men det er det, der kommer frem fra disse simuleringer, alle med kendt fysik. Det er det, der er spændende for os. "