Згідно з теорією Великого Вибуху, близько 13,8 мільярда років тому Всесвіт вибухнув у вигляді нескінченно малої, компактної вогняної кулі матерії, яка охолоджувалася в міру розширення, викликаючи реакції, які згодом створили перші зірки і галактики, а також всі форми матерії, які ми бачимо сьогодні.
Фізики вважають, що безпосередньо перед тим, як Великий вибух вивів Всесвіт на його постійно розширюється шлях, існувала ще одна, більш вибухонебезпечна фаза раннього Всесвіту: космічна інфляція, яка тривала менше трильйонної частки секунди. Протягом цього періоду матерія - холодна, однорідна маса - швидко роздмухувалася експоненціально, перш ніж процеси Великого Вибуху взяли на себе більш повільне розширення і диверсифікацію новонародженого Всесвіту.
Недавні спостереження незалежно підтвердили теорії як Великого Вибуху, так і космічної інфляції. Але ці два процеси настільки радикально відрізняються один від одного, що вчені щосили намагаються зрозуміти, як один слід за іншим.
Тепер фізики детально змоделювали проміжну фазу раннього Всесвіту, яка, можливо, пов'язала космічну інфляцію з Великим Вибухом. Ця фаза, відома як «повторне нагрівання», сталася наприкінці космічної інфляції і включала процеси, які перевели матерію з холодної і однорідної в надгір'ячий, складний «суп», який був на початку Великого Вибуху.
«Пост-інфляційний період підігріву створює умови для Великого Вибуху і в деякому сенсі поміщає» вибух «у Великий вибух», - говорить Девід Кайзер, професор фізики в Массачусетському технологічному інституті.
Кайзер і його колеги детально змоделювали, як взаємодіяли б численні форми матерії протягом цього хаотичного періоду в кінці інфляції. Їх моделювання показує, що екстремальна енергія, яка призводила до інфляції, могла бути перерозподілена так само швидко, протягом ще меншої частки секунди, і таким чином, що створювалися умови, які були б необхідні для початку Великого Вибуху.
Вчені виявили, що це екстремальне перетворення було б ще швидше і ефективніше, якби квантові ефекти змінили спосіб, яким матерія реагувала на гравітацію при дуже високих енергіях, відхиляючись від того, як теорія загальної теорії відносності Ейнштейна пророкує взаємодію матерії і гравітації.
«Це дозволяє нам розповісти безперервну історію, від інфляції до постінфляційного періоду, до Великого Вибуху і за його межами», - говорить Кайзер. «Ми можемо простежити безперервний набір процесів, все з відомою фізикою, щоб сказати, що це один правдоподібний спосіб, яким Всесвіт став виглядати так, як ми бачимо його сьогодні».
Теорія космічної інфляції, вперше запропонована в 1980-х роках пророкує, що Всесвіт почався як надзвичайно маленька частинка матерії, можливо, близько ста мільярдів розмірів Протона. Ця частинка була заповнена речовиною надвисокої енергії, настільки енергійною, що тиск всередині неї породжував відштовхувальну гравітаційну силу - рушійну силу інфляції.
Як іскра в запалі, ця гравітаційна сила підірвала новонароджений всесвіт назовні, з ще більшою швидкістю, роздуваючи його майже в октільйон разів порівняно з його початковим розміром (це число з 26 нулями), менш ніж за трильйонну частку секунди.
Вчені спробували з'ясувати, як могли виглядати найбільш ранні фази перегріву - цей перехідний інтервал в кінці космічної інфляції і безпосередньо перед Великим Вибухом.
"Найбільш ранні фази повторного нагріву повинні бути відзначені резонансами. Одна з форм високоенергетичної матерії домінує, і вона гойдається взад і вперед синхронно з самою собою, що призводить до вибухового виробництва нових частинок ", - говорить Кайзер. - Така поведінка не буде тривати вічно, і як тільки вона почне передавати енергію в другу форму матерії, її власні коливання стануть більш нестійкими і нерівномірними в просторі. Ми хотіли виміряти, скільки часу потрібно для того, щоб цей резонансний ефект розпався, а частинки, що утворилися, розсіялися один від одного і прийшли до якоїсь теплової рівноваги, що нагадує умови Великого Вибуху.
Комп'ютерне моделювання являє собою велику решітку, на яку вчені нанесли на карту кілька форм матерії і простежили, як їх енергія і розподіл змінювалися в просторі і в часі, коли вчені змінювали певні умови. Початкові умови моделювання були засновані на конкретній інфляційній моделі - наборі передбачень того, як розподіл матерії в ранньому Всесвіті міг поводитися під час космічної інфляції.
Вчені вибрали саме цю модель інфляції, тому що її передбачення повністю збігаються з високоточними вимірами космічного мікрохвильового фону - залишкового свічення випромінювання, випущеного всього через 380 000 років після Великого Вибуху, яке, як вважається, містить сліди інфляційного періоду.
Моделювання відстежувало поведінку двох типів матерії, які могли домінувати під час інфляції, дуже схожих на тип частинки, бозон Хіггса, який нещодавно спостерігався в інших експериментах.
Перед запуском своїх симуляцій команда дослідників додала невелике «налаштування» до опису гравітації моделі. У той час як звичайна матерія, яку ми бачимо сьогодні, реагує на гравітацію так само, як передбачав Ейнштейн у своїй теорії загальної теорії відносності, матерія з набагато вищими енергіями, такими як ті, що, як вважається, існували під час космічної інфляції, повинна вести себе дещо інакше, взаємодіючи з гравітацією способами, які модифікуються квантовою механікою або взаємодіями на атомному рівні.
У загальній теорії відносності Ейнштейна сила тяжіння представлена як постійна, а те, що фізики називають мінімальним зв'язком, означає, що, незалежно від енергії конкретної частинки, вона буде реагувати на гравітаційні ефекти з силою, заданою універсальною постійною.
Однак при дуже високих енергіях, які передбачаються в космічній інфляції, матерія взаємодіє з гравітацією дещо більш складним чином. Квантово-механічні ефекти пророкують, що сила гравітації може змінюватися в просторі і часі при взаємодії з надвисокою енергією матерії - явище, відоме як немінімальний зв'язок.
Кайзер і його колеги включили в свою інфляційну модель немінімальний член зв'язку і спостерігали, як змінюється розподіл матерії та енергії, коли вони повертають цей квантовий ефект вгору або вниз.
Зрештою вони виявили, що чим сильніше квантово-модифікований гравітаційний ефект впливав на матерію, тим швидше Всесвіт переходив від холодної, однорідної матерії в інфляції до набагато більш гарячих, різноманітних форм матерії, характерних для Великого Вибуху.
Налаштовуючи цей квантовий ефект, дослідники змогли здійснити критичний перехід протягом 2-3 «e-folds», посилаючись на кількість часу, який потрібен для того, щоб Всесвіт (приблизно) потроївся в розмірі. (E-folds - це часовий інтервал, в якому експоненційно зростаюча величина збільшується на коефіцієнт e; це базовий аналог подвоєння часу. Термін часто використовується в багатьох галузях науки, таких як атмосферна хімія і теоретична фізика, особливо коли досліджується космічна інфляція).
У цьому випадку вченим вдалося змоделювати фазу повторного нагріву за час, необхідний для того, щоб Всесвіт потроївся в розмірах в два-три рази. Для порівняння, сама інфляція склала близько 60 таких періодів «e-folds».
«Повторне нагрівання було шаленим часом», - каже Кайзер. "Ми показуємо, що матерія взаємодіяла так сильно в той час, що вона могла чудово підготувати ґрунт для Великого Вибуху. Ми не знали, що це так, але це те, що випливає з нашого моделювання ".