Мы можем наконец понять моменты, предшествующие Большому взрыву

В истории о том, как возникла наша Вселенная, есть дыра. Во-первых, Вселенная быстро раздувалась, как воздушный шар. Потом все пошло бум.

Но то, как связаны эти два периода, ускользает от физиков. Теперь новое исследование предлагает способ связать две эпохи.

В первый период Вселенная выросла из почти бесконечно малой точки почти в октиллион (это единица с 27 нулями) раз меньше, чем за триллионную долю секунды. За этим периодом инфляции последовал более постепенный, но бурный период расширения, известный нам как Большой взрыв. Во время Большого взрыва невероятно горячий огненный шар элементарных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны, расширился и остыл, сформировав атомы, звезды и галактики, которые мы видим сегодня.

Теория большого взрыва, описывающее космическую инфляцию, остается наиболее широко поддерживаемым объяснением как началась наша вселенная, однако ученые до сих пор недоумевают, как связаны эти совершенно разные периоды расширения. Чтобы решить эту космическую загадку, группа исследователей из колледжа Кеньон, Массачусетского технологического института (MIT) и Лейденского университета Нидерландов смоделировала критический переход между космической инфляцией и Большим взрывом — период, который они называют «повторным нагревом».

«Период постинфляционного разогрева создает условия для Большого взрыва и, в некотором смысле, помещает «взрыв» в Большой взрыв», — Дэвид Кайзер, профессор физики Массачусетского технологического института, говорится в заявлении. «Это период моста, когда весь ад вырывается на свободу, и материя ведет себя совсем не просто».

Когда Вселенная расширилась в мгновение ока во время космическая инфляция, вся существующая материя рассеялась, оставив Вселенную холодным и пустым местом, лишенным горячего бульона из частиц, необходимых для воспламенения Большого Взрыва. Считается, что во время периода разогрева энергия, стимулирующая инфляцию, распадается на частицы, говорит Рэйчел Нгуен, докторант по физике в Университете Иллинойса и ведущий автор исследования.

«После того, как эти частицы произведены, они подпрыгивают и ударяются друг о друга, передавая импульс и энергия, — сказал Нгуен Live Science. — И это то, что термализирует и повторно нагревает вселенную, чтобы создать начальные условия для Большого взрыва».

В своей модели Нгуен и ее коллеги смоделировали поведение экзотических форм материи, называемых инфлатонами. Ученые считают, что эти гипотетические частицы, похожие по своей природе на бозон Хиггса, создал энергетическое поле, которое привело к космической инфляции. Их модель показала, что при правильных условиях энергия инфлатонов может быть эффективно перераспределена для создания разнообразия частиц, необходимого для повторного нагрева Вселенной. Они опубликовали свои результаты 24 октября в журнале Письма о физическом обзоре.

Горнило для физики высоких энергий

«Когда мы изучаем раннюю Вселенную, на самом деле мы проводим эксперименты с частицами при очень-очень высоких температурах», — сказал Том Гиблин, доцент физики в колледже Кеньон в Огайо и соавтор исследования. «Переход от холодного инфляционного периода к горячему периоду должен содержать некоторые ключевые доказательства того, какие частицы действительно существуют при этих чрезвычайно высоких энергиях».

Один фундаментальный вопрос, который мучает физиков, заключается в том, как сила тяжести ведет себя при экстремальных энергиях, присутствующих во время инфляции. У Альберта Эйнштейна общая теория относительности, считается, что гравитация влияет на всю материю одинаково, где сила гравитации постоянна независимо от энергии частицы.Однако из-за странного мира квантовой механики ученые считают, что при очень высоких энергиях материя по-разному реагирует на гравитацию.

Команда включила это предположение в свою модель, настроив, насколько сильно частицы взаимодействуют с гравитацией. Они обнаружили, что чем больше они увеличивали силу гравитации, тем эффективнее инфлатоны передавали энергию для создания зоопарка частиц горячей материи, обнаруженных во время Большого взрыва.

Теперь им нужно найти доказательства, подтверждающие их модель где-то во Вселенной.

«Вселенная хранит так много секретов, закодированных очень сложным образом», — сказал Гиблин в интервью Live Science. «Наша работа — узнать о природе реальности, придумав декодирующее устройство — способ извлечения информации из Вселенной. Мы используем симуляции, чтобы делать прогнозы о том, как должна выглядеть Вселенная, чтобы мы могли начать ее расшифровку. Этот период разогрева должен оставить след где-то во вселенной. Нам просто нужно его найти».

Но найти этот отпечаток может быть непросто. Наш самый ранний проблеск Вселенной — это пузырь излучения, оставшийся через несколько сотен тысяч лет после Большого Взрыва, называемый космический микроволновый фон (СМБ). Однако реликтовое излучение лишь намекает на состояние Вселенной в первые критические секунды рождения. Такие физики, как Гиблин, надеются, что будущие наблюдения гравитационные волны даст окончательные подсказки.

• Космическая инфляция: как она дала Вселенной толчок к развитию (инфографика) (откроется в новой вкладке)
• Какова форма Вселенной? (откроется в новой вкладке)
• Что моделирование может рассказать нам о Вселенной? (откроется в новой вкладке)

(откроется в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.com.