Zbadali, co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem

Naukowcom udało się przeprowadzić symulację okresu „ponownego ogrzewania” (reheating), który stworzył warunki do Wielkiego Wybuchu. Wielki Wybuch nastąpił około 13,8 miliardów lat temu. Jednak obecnie fizycy nie postrzegają Wielkiego Wybuchu jako wydarzenia inicjującego, które nastąpiło w czasie t=0.

Współczesna kosmologia, mówiąc o Wielkim Wybuchu ma na myśli moment, na samym początku istnienia wszechświata, w którym zaistniały warunki konieczne do zaistnienia Wielkiego Wybuchu. To zaś oznacza, że ówczesny wszechświat był wypełniony wieloma różnymi typami gorącej materii, znajdującej się w termicznej równowadze. To stan równowagi zdominowany przez promieniowanie. Masy cząstek wypełniających wówczas wszechświat były znacznie mniejsze niż średnia temperatura wszechświata.

W takim pojęciu mieści się więc założenie, że przed Wielkim Wybuchem miały miejsce wydarzenia, w wyniku których powstały warunki do Wielkiego Wybuchu. I właśnie te warunki postanowił zbadać profesor David I. Kaiser wraz ze swoim zespołem z MIT oraz Kenyon College.

Przed Wielkim Wybuchem miała miejsce inflacja kosmologiczna. Trwała ona biliardową część sekundy, jednak w tym czasie zima materia zaczęła się gwałtownie rozszerzać, zanim procesy Wielkiego Wybuchu przejęły kontrolę, spowolniły to rozszerzanie i doprowadziły do dywersyfikacji rodzącego się wszechświata.

Dokonane w ostatnim czasie obserwacje potwierdzają Wielki Wybuch oraz inflację kosmologiczną, jednak zjawiska te są tak bardzo od siebie różne, że naukowcy mieli dotychczas problem z ich połączeniem.

Kaiser wraz z zespołem przeprowadzili szczegółową symulację fazy przejściowej, która połączyła inflację z Wielkim Wybuchem. Faza ta, znana pod nazwą „ponownego ogrzewania” (reheating) miała miejsce na samym końcu inflacji, a w jej wyniku z zimnej homogenicznej zupy wyłoniła się super gorąca złożona mieszanina, która dała początek Wielkiemu Wybuchowi.

Postinflacyjne ponowne ogrzewanie stworzyło warunki dla Wielkiego Wybuchu. Podpaliło lont. To okres, w którym rozpętało się piekło, a materia zaczęła zachowywać się w bardzo złożony sposób, wyjaśnia Kaiser.

Uczeni symulowali interakcje jaki zachodziły pomiędzy poszczególnymi rodzajami materii po zakończeniu procesu inflacji. ich badania wykazały, że olbrzymia ilość energii, która napędzała inflację, błyskawicznie się rozprzestrzeniła, tworząc warunki do Wielkiego Wybuchu.

Okazało się także, że do takich gwałtownych zmian mogło dojść jeszcze szybciej i zachodziły one bardziej efektywnie, jeśli zjawiska kwantowe zmodyfikowały sposób, w jaki materia przy wysokich energiach reaguje na oddziaływanie grawitacji. Zjawiska te odbiegają od tych opisanych przez ogólną teorię względności. To pozwala nam opisanie całego ciągu wydarzeń, od inflacji, poprzez okres postinflacyjny po Wielki Wybuch i dalej. Możemy śledzić rozwój poszczególnych znanych procesów fizycznych i stwierdzić na tej podstawie, że jest to prawdopodobny rozwój wydarzeń, które doprowadziły do tego, że obecnie wszechświat jest taki, jakim go widzimy, dodaje uczony.

Teoria inflacji została opracowana w latach 80. przez Alana Gutha z MIT. Mówi ona, że historia wszechświata rozpoczęła się od niezwykle małe punktu, wielkości miliardowych części średnicy protonu. Ten punkt był wypełniono wysokoenergetyczną materią. Jej energia była tak wielka, że powstały siły grawitacyjne odpychające się wzajemnie, które wywołały gwałtowną inflację. Proces ten był niezwykle gwałtowny. W czasie krótszym niż bilionowa część sekundy ten zaczątek wszechświata zwiększył swoją objętość kwadryliard (10²⁷) razy.

Kaiser i jego zespół badali, co stało się po zakończeniu inflacji, a przed Wielkim Wybuchem. Najwcześniejsza faza ponownego ogrzewania powinna charakteryzować się istnieniem rezonansów. Dominuje jedna forma wysokoenergetycznej materii która wstrząsa w tę i z powrotem całą olbrzymią przestrzenią, rezonując sama ze sobą, prowadząc do gwałtownego powstawania nowych cząstek. To nie trwa wiecznie. W miarę, jak przekazuje ona swoją energię drugiej formie materii, jej własne oscylacje stają się bardziej chaotyczne i nierówne. Chcieliśmy się dowiedzieć, jak długo trwało, zanim ten efekt rezonansowy się załamał i jak stworzone cząstki rozpraszały się na sobie nawzajem tworząc równowagę termiczną, warunki potrzebne do powstania Wielkiego Wybuchu.

Uczeni do symulacji wybrali konkretny model inflacyjny i jego warunki wyjściowe. Zdecydowali się na ten, którego założenia najlepiej odpowiadają precyzyjnym pomiarom mikrofalowego promieniowania tła. Podczas symulacji śledzono zachowanie dwóch typów materii podobnych do bozonu Higgsa, które były dominującymi typami w czasie inflacji. Model zmodyfikowali też o taki rodzaj oddziaływań grawitacyjnych, jakie powinny istnieć w świecie materii o znacznie wyższych energiach, tak, jak to było w czasie inflacji. W takich warunkach siła grawitacji może być różna w czasie i przestrzeni.

Symulacja wykazała, że im silniejszy wpływ grawitacji zmodyfikowanej o efekt kwantowy, tym szybciej zachodziła przemiana ze stanu zimnej homogenicznej materii, w zróżnicowane formy gorącej materii, które są charakterystyczne dla Wielkiego Wybuchu.
Ponowne ogrzewanie to był szalony okres, w którym wszystko oszalało. Wykazaliśmy, że materia wchodziła w tak silne interakcje, że mogło dojść do równie szybkiego rozprężenia i pojawienia się warunków do Wielkiego Wybuchu. Nie wiemy, czy tak to wyglądało, ale tak wynika z naszych symulacji, którą przeprowadziliśmy wyłącznie z uwzględnieniem znanych nam praw fizyki, mówi Kaiser.

Prace Amerykanów pochwalił profesor Richard Easther z University of Auckland. Istnieją setki propozycji dotyczących inflacji. Jednak przejście od inflacji do Wielkiego Wybuchu jest najmniej zbadanym elementem całości. Ta praca kładzie podwaliny pod precyzyjne symulowania epoki postinflacyjnej.

Ze szczegółami pracy można zapoznać się na serwerze arXiv [PDF].

inflacja kosmologiczna ponowne ogrzewanie Wielki Wybuch