Tarinassa siitä, kuinka maailmankaikkeuksemme tuli, on reikä. Ensinnäkin, maailmankaikkeus täyttyi nopeasti, kuten pallo. Sitten kaikki meni nousuun.
Mutta miten nämä kaksi ajanjaksoa liittyvät toisiinsa, on fyysikot päättäneet. Nyt uusi tutkimus ehdottaa tapaa yhdistää kaksi aikakautta.
Ensimmäisellä ajanjaksolla maailmankaikkeus kasvoi melkein äärettömän pienestä pisteestä melkein oktillioon (se on 1, jota seuraa 27 nollaa) kertaa suurempi kuin kooltaan alle biljardi sekunnissa. Tätä inflaatiokautta seurasi asteittainen, mutta väkivaltainen laajentumisaika, jota tunnemme nimellä Big Bang. Ison räjähdyksen aikana uskomattoman kuuma tulipalo perushiukkasista - kuten protoneista, neutroneista ja elektronista - laajeni ja jäähtyi muodostamaan atomeja, tähtiä ja galakseja, joita näemme tänään.
Big Bang -teoria, joka kuvaa kosmista inflaatiota, on edelleen laajimmin tuettu selitys siitä, kuinka maailmankaikkeus alkoi, mutta tutkijoita hämmentää edelleen se, kuinka nämä täysin erilaiset laajentumisajat liittyvät toisiinsa. Tämän kosmisen ratkaisun ratkaisemiseksi tutkijaryhmä Kenyonin yliopistosta, Massachusetts Institute of Technologystä (MIT) ja Alankomaiden Leiden-yliopistosta simuloi kriittistä siirtymää kosmisen inflaation ja Ison paineen välillä - ajanjaksona, jota he kutsuvat "uudelleenlämmitykseksi".
"Inflaation jälkeinen uudelleenlämmitysjakso asettaa olosuhteet isolle räjähdykselle ja asettaa tietyssä mielessä" bangin "isoon räjähdykseen", sanoi MIT: n fysiikan professori David Kaiser lausunnossaan. "Se on tämä silta-aika, jolloin kaikki helvetti irtoaa ja aine käyttäytyy kaikkea muuta kuin yksinkertaista tapaa."
Kun maailmankaikkeus laajeni hetkessä hetkessä kosmisen inflaation aikana, kaikki olemassa oleva aine hajotettiin, jolloin universumi oli kylmä ja tyhjä paikka, josta puuttui kuuma hiukkaskeitto hiukkasista, joita tarvittiin Big Bang -lehden sytyttämiseksi. Lämmitysjakson aikana energian kuljettavan inflaation uskotaan hajoavan hiukkasiksi, sanoi Illinoisin yliopiston fysiikan jatko-opiskelija ja tutkimuksen pääkirjailija Rachel Nguyen.
"Kun nämä hiukkaset on tuotettu, ne kimppuvat ympäri ja koputtavat toisiinsa siirtämällä vauhtia ja energiaa", Nguyen kertoi Live Science: lle. "Ja juuri se lämmittää ja lämmittää maailmankaikkeutta, jotta asetettaisiin ison iskun alkuolosuhteet."
Mallissaan Nguyen ja hänen kollegansa simuloivat eksoottisten ainemuotojen, joita kutsutaan inflatoneiksi, käyttäytymistä. Tutkijoiden mielestä nämä hypoteettiset hiukkaset, jotka ovat luonteeltaan samanlaisia kuin Higgsin bosoni, loivat energiakentän, joka ajoi kosmista inflaatiota. Heidän malli osoitti, että oikeissa olosuhteissa inflatonien energia voitaisiin jakaa tehokkaasti tehokkaasti maailmankaikkeuden lämmittämiseen tarvittavien hiukkasten monimuotoisuuden luomiseksi. He julkaisivat tuloksensa 24. lokakuuta lehdessä Physical Review Letters.
Upokas korkean energian fysiikkaan
"Kun tutkimme aikaista maailmankaikkeutta, se, mitä todella teemme, on hiukkaskoe erittäin korkeissa lämpötiloissa", kertoi Tom Giblin, Ohion Kenyonin yliopiston fysiikan apulaisprofessori ja tutkimuksen kirjoittaja. "Siirtyminen kylmästä inflaatiovaiheesta kuumaan ajanjaksoon on sellainen, jolla pitäisi olla joitain keskeisiä todisteita siitä, mitä hiukkasia todella esiintyy näissä erittäin korkeissa energioissa."
Yksi perustava kysymys, joka vaivaa fyysikoita, on se, kuinka painovoima käyttäytyy inflaation aikana esiintyvissä äärimmäisissä energioissa. Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoriassa gravitaation uskotaan vaikuttavan kaikkiin aineisiin samalla tavalla, missä painovoiman lujuus on vakio hiukkasen energiasta riippumatta. Kvanttimekaniikan omituisen maailman takia tutkijat kuitenkin ajattelevat, että erittäin korkeilla energioilla aine reagoi painovoimaan eri tavalla.
Ryhmä sisällytti tämän oletuksen malliinsa säätämällä kuinka voimakkaasti hiukkaset olivat vuorovaikutuksessa painovoiman kanssa. He huomasivat, että mitä enemmän ne lisäsivät painovoiman voimakkuutta, sitä tehokkaammin inflatonit siirtävät energiaa tuottaakseen Big Bang: n aikana löydettyjä kuuma-ainepartikkeleita eläintarhaan.
Nyt heidän on löydettävä todisteita mallin tukemiseksi jossain maailmankaikkeudessa.
"Universumilla on niin monia salaisuuksia, jotka on koodattu erittäin monimutkaisilla tavoilla", Giblin kertoi Live Science: lle. "Meidän tehtävämme on oppia todellisuuden luonteesta keksimällä dekoodauslaite - tapa kerätä tietoa maailmankaikkeudesta. Käytämme simulaatioita tehdä ennusteita siitä, miltä maailmankaikkeuden tulisi näyttää, jotta voimme tosiasiassa aloittaa sen dekoodaamisen. Tämän uudelleenlämmitysajan tulisi jättää jälki jonnekin maailmankaikkeuteen. Meidän on vain löydettävä se. "
Mutta sen jäljen löytäminen voi olla hankalaa. Varhaisin vilkaisemme maailmankaikkeutta on säteilykupla, joka on jäljellä muutaman sadan tuhannen vuoden kuluttua Isosta räjähdyksestä, nimeltään kosminen mikroaaltotausta (CMB). Silti CMB vihjaa vain maailmankaikkeuden tilaan syntymän ensimmäisten kriittisten sekuntien aikana. Giblinin kaltaiset fyysikot toivovat, että tulevaisuuden gravitaatioaaltojen havainnot tarjoavat lopullisen johtolangan.
