Te dziwne grudki „inflatonów” mogą być pierwszymi strukturami we wszechświecie

Symulacja w ultrawysokiej rozdzielczości malutkiego wycinka Wszechświata – milion razy mniejszego od protonu – ujawniła pierwsze struktury, jakie kiedykolwiek istniały. A te gęste struktury są dziwne.

Przez pierwsze trylionowe części sekundy po Wielkim Wybuchu wszechświat był gorącym, gęstym miejscem, miejscem rozgrzanym do ponad biliona stopni. Chociaż naukowcy nie mogą bezpośrednio obserwować tego momentu w czasie, mogą go zrekonstruować za pomocą wysokowydajnych symulacji komputerowych.

Nowe symulacje, bardziej szczegółowe niż kiedykolwiek wcześniej, pokazały, jak w tych pierwszych przypadkach grawitacja powodowała zlepianie się cząstek kwantowych zwanych inflatonami. Wyniki pokazały po raz pierwszy, jak te grudki tworzyły następnie złożone i gęste struktury, które ważyły ​​od kilku gramów do 20 kilogramów, upakowane w przestrzeni mniejszej niż cząstka elementarna.

Symulacje są pierwszymi, które pokazują wystarczająco dużo szczegółów, aby naukowcy mogli rozszyfrować zakres rozmiarów i kształtów tych struktur niemowlęcych. Ponadto wyniki w elegancki sposób pasowały do ​​prostego modelu teoretycznego, który ma prawie 40 lat, powiedział współautor badania Richard Easther, profesor fizyki na Uniwersytecie w Auckland.

„Odkrywamy tę niezwykle złożoną fazę we wczesnym wszechświecie, który dopiero zaczyna być właściwie rozumiany”.

Symulacje modelowały czas pod koniec inflacji, okres, w którym Wszechświat rozrósł się do dużych rozmiarów. W tamtym czasie wszechświat zawierał tylko energię i inflatony – rodzaj materii kwantowej, która uformowała się z pola energii, które wypełniło całą przestrzeń po Wielkim Wybuchu.

Nowa symulacja pokazuje wzrost maleńkich, niezwykle gęstych struktur wkrótce po fazie inflacji bardzo wczesnego Wszechświata. Pomiędzy stanem początkowym i końcowym (odpowiednio u góry po lewej i po prawej stronie) pokazany obszar powiększył się do 10 milionów razy w stosunku do swojej początkowej objętości, ale nadal jest wielokrotnie mniejszy niż wnętrze protonu. Powiększona grudka w lewym dolnym rogu miałaby masę około 20 kilogramów.(Zdjęcie: Jens Niemeyer / University of Getynga)

Fizycy uważają, że struktury inflatonów widoczne w symulacjach były wynikiem fluktuacji pola energii bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. To samo pole prawdopodobnie stworzyło wielkoskalowe struktury galaktyczne widoczne we współczesnym Wszechświecie.

Gęste, wypełnione inflatonem struktury widoczne w symulacjach prawdopodobnie nie przetrwały długo, ponieważ prawdopodobnie zamieniły się w cząstki elementarne w ułamku sekundy. Jednak przy ich dużej gęstości – sięgającej nawet 100 000 razy większej gęstości otaczającej przestrzeni – ich ruchy i interakcje mogły generować zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni zwanej falami grawitacyjnymi. Nowe symulacje pomogą naukowcom dokładnie obliczyć, jak duże mogły być te fale grawitacyjne, co pomoże w przyszłych eksperymentach szukać podobnych zmarszczek we wszechświecie.

Małe grudki mogły również zapaść się pod własnym ciężarem, tworząc pierwsze we wszechświecie czarne dziury, zwane pierwotnymi czarnymi dziurami. Niektórzy naukowcy uważają, że takie czarne dziury mogą być kandydatem na ciemną materię – tajemniczą substancję, której nikt nie widział bezpośrednio, ale stanowi obecnie 85% materii we wszechświecie. Fizycy nie widzieli w swoich symulacjach czarnych dziur, ale w przyszłości planują przeprowadzić dłuższe, bardziej szczegółowe symulacje, które mogłyby pokazać takie obiekty.

„Pierwotne czarne dziury są na tym etapie intrygującą możliwością – mogą prowadzić do nowych zachowań, ale zapewniłyby również nowe dane do testowania modelu” – napisał Easther. Ponieważ niektóre pierwotne czarne dziury powinny przetrwać we współczesnym Wszechświecie, znalezienie jednego z nich może pomóc zweryfikować modele naukowców dotyczące tych wczesnych chwil w początkach wszechświata.

Easther i jego współpracownicy opublikowali artykuł opisujący symulacje 22 marca w czasopiśmie Physical Review D.

Źródło: Mara Johnson-Groh

Formation of inflaton halos after inflation

Zdjęcie: Jens Niemeyer/University of Göttingen

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x