Wielki Wybuch był początkiem naszego Wszechświata. Ale okazuje się, że materia mogła istnieć także wcześniej. Potwierdzają to najnowsze symulacje przeprowadzone przez fizyków.
Zgodnie z najpopularniejszą obowiązującą teorią, Wielki Wybuch miał miejsce 13,8 mld lat temu. Właśnie wtedy rozpoczęły się procesy, które doprowadziły do wykształcenia Wszechświata jaki znamy. To jednak nie oznacza, że przed Wielkim Wybuchem nic nie było.
Fizycy uważają, że tuż przed Wielkim Wybuchem, Wszechświat istniał w innej, bardziej wybuchowej fazie – tzw. inflacji kosmologicznej, która trwała zaledwie biliardową część sekundy. To dzięki procesom wtedy zachodzącym możliwy był początek wszystkiego, co znamy.
Co było przed Początkiem?
Ostatnie obserwacje niezależnie poparły teorie Wielkiego Wybuchu i inflacji kosmicznej. Te procesy są tak radykalnie różne, że naukowcy próbowali wyobrazić sobie jak następują one po sobie. Fizycy z MIT, Kenyon College i innych instytutów szczegółowo symulowali fazę pośrednią wczesnego Wszechświata, która mogła połączyć inflację kosmiczną z Wielkim Wybuchem. Faza ta została nazwana ponownym ogrzewaniem (ang. reheating).
Faza ta miała miejsce pod koniec kosmicznej inflacji i obejmowała procesy, które wciągnęły zimną, jednolitą materię pochodzącą z inflacji do ultragorącej, złożonej zupy, która pojawiła się wraz z Wielki Wybuchem.
Okres ponownego ogrzewania po inflacji stworzył warunki do Wielkiego Wybuchu i w pewnym sensie zainicjował iskrę. To ten okres pomostowy, w którym rozpętało się piekło, a materia zachowywała się w egzotyczny sposób.
prof. David Kaiser z MIT
Zespół Kaisera przeprowadził szczegółowe symulacje interakcji wielu form materii w trakcie chaotycznego okresu pod koniec inflacji. Pokazują one, że ekstremalna energia, która napędzała inflację, mogła zostać równie szybko rozdzielona w jeszcze mniejszym ułamku sekundy. W ten sposób powstały warunki wymagane do inicjacji Wielkiego Wybuchu.
Naukowcy odkryli, że ta ekstremalna transformacja byłaby jeszcze szybsza i jeszcze bardziej wydajna, gdyby efekty kwantowe zmieniły sposób, w jaki materia reagowała na grawitację przy bardzo wysokich energiach. Odbiega to od sposobu, w jaki ogólna teoria względności Einsteina przewiduje oddziaływania materii z grawitacją.
Dzięki temu możemy opowiedzieć pełną historię, bez jakichkolwiek przerw – od inflacji, przez jej kres, aż po Wielki Wybuch i dalej. Możemy prześledzić ciągły zestaw procesów, by dowiedzieć się, jak to się stało, ze Wszechświat jest taki, jakim go widzimy dzisiaj.
prof. David Kaiser z MIT
Zimno i gorąco
Teoria kosmicznej inflacji została po raz pierwszy zaproponowana w latach 80. ubiegłego wieku przez Alana Gutha z MIT. Przewiduje ona, że wszechświat powstał jako niezwykle mała porcja materii, prawdopodobnie około sto miliardów razy mniejsza od protonu. Ta „plamka” była wypełniona materią o tak wysokiej energii, że ciśnienie wewnętrzne wytworzyło grawitację – siłę napędową inflacji.
Jak iskra, siła grawitacji rozsadziła niemowlęcy Wszechświat tak bardzo, że 8 razy powiększył swoją pierwotną wielkość w niecałą trylionową cześć sekundy. Zespół Kaisera próbował ustalić, jak wyglądałyby najwcześniejsze momenty ponownego ogrzewania.
Najwcześniejsze fazy ponownego ogrzewania powinny być oznaczone rezonansami. Dominuje w nich jedna forma materii wysokoenergetycznej, która trzęsie się tam i z powrotem w synchronizacji ze sobą na dużych przestrzeniach kosmicznych, co prowadzi do produkcji nowych cząstek. Takie zachowanie nie trwa długo, a gdy energia zacznie się przenosić na nową formę materii, jej rezonans stanie się bardziej nierówny. Chcieliśmy zmierzyć, ile mogło to trwać.
prof. David Kaiser z MIT
Uczeni wybrali konkretny model inflacji, który jest zgodny z pomiarami mikrofalowego promieniowania tła wyemitowanego zaledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Uważa się, że zawiera on ślady z okresu kosmicznej inflacji.
Początek jeden z wielu?
Symulacje śledziły zachowanie dwóch rodzajów materii, które mogły dominować podczas inflacji. Zawierały one cząstki podobne do bozonu Higgsa. Uczeni musieli nieznacznie „poprawić” opis grawitacji w omawianym modelu. Podczas gdy zwykła materia reaguje na grawitację, tak jak przewidział Einstein w ogólnej teorii względności, materia o znacznie wyższej energii powinna zachowywać się inaczej.
W ogólnej teorii względności, siła grawitacji jest uznawana za stałą, co fizycy określają mianem sprzężenia minimalnego. Oznacza to, że bez względu na energię konkretnej cząstki, będzie ona reagować na efekty grawitacyjne siłą ustaloną przez uniwersalną stałą.
Ale przy bardzo wysokich energiach przewidywanych w kosmicznej inflacji, materia oddziałuje z grawitacją w nieco inny sposób. Efekty kwantowe przewidują, że grawitacja może zmieniać się w czasie i przestrzeni podczas interakcji z materią. Zjawisko to jest znane jako sprzężenie nieminimalne.
Zespół Kaisera zaimplementował sprzężenie nieminimalne do modelu inflacyjnego i obserwował jak manipulacje nim wpływają na rozkład materii i energii. Naukowcy odkryli, że im efekt grawitacyjny silniej działał na materię, tym szybciej zmieniała ona postać z postaci zimnej i jednorodnej w gorętsze, bardziej różnorodne. Takie zachowanie było charakterystyczne dla Wielkiego Wybuchu.
Ponowne ogrzewanie było szaleństwem. Udowodniliśmy, że oddziałująca w tym czasie materia, mogła pięknie przygotować scenę dla Wielkiego Wybuchu. Nie możemy sobie wyobrazić warunków wtedy panujących, ale wiele rozjaśniają nam przeprowadzane symulacje. To właśnie fizyka.
Alan Guth, twórca teorii kosmicznej inflacji
Badania początków wszechświata są równie egzotyczne, co rozważanie o jego końcu. Coraz więcej jednak wskazuje na to, że Wielki Wybuch był jedynie początkiem znanego nam Wszechświata. Nie oznacza to jednak, że przed Wielkim Wybuchem nie było niczego. Doskonale koresponduje to z teorią bran i wszechświatów równoległych, które są zawieszone w nieskończonym multiwersum.
