Donkere materie en donkere energie hebben mogelijk geleid tot inflatie, de exponentiële uitdijing van het heelal kort na de oerknal. Een nieuw kosmologisch model voorgesteld door natuurkundigen van de Universiteit van Warschau, die verantwoordelijk is voor donkere inflatie, is de eerste die een nauwkeurige chronologie schetst van de belangrijkste gebeurtenissen in de vroege geschiedenis van ons universum. Het model doet een spectaculaire voorspelling:het zou mogelijk moeten zijn om zwaartekrachtsgolven te detecteren die slechts fracties van een seconde na het ontstaan ​​van ruimtetijd zijn gevormd.

Wat weten we over de evolutie van het heelal onmiddellijk na de oerknal? Ondanks uitgebreid onderzoek gedurende tientallen jaren, huidige kosmologische modellen schetsen nog steeds geen precieze chronologie van gebeurtenissen. Onderzoekers van de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau (UW Natuurkunde) hebben een nieuw model ontwikkeld waarin de exponentiële uitdijing van donkere materie en donkere energie een sleutelrol speelt. Het donkere inflatiemodel organiseert de thermische geschiedenis van het heelal in chronologische volgorde en voorspelt dat we binnenkort oer-gravitatiegolven zouden kunnen detecteren die direct na de oerknal zijn gevormd.

De vroegste structuur van het universum die we vandaag kunnen bestuderen, is kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB). Dit elektromagnetische relikwie dateert van rond 380, 000 jaar na de oerknal en is verrassend homogeen, zelfs in regio's die zo ver uit elkaar liggen dat licht de afstand ertussen niet had kunnen overbruggen in de beschikbare tijd. 1979, Alan Guth stelde inflatie voor als een eenvoudige verklaring voor deze uniformiteit:de huidige enorme afstanden tussen de homogene regio's zijn zo groot omdat op een bepaald moment, er was een extreem snelle uitbreiding van de ruimtetijd, een miljard miljard miljard keer groter worden in slechts fracties van een seconde. Dit zou zijn veroorzaakt door een hypothetisch inflatieveld en deeltjes die inflatons worden genoemd.

"Het fundamentele probleem met inflatie is dat we niet echt weten wanneer het precies heeft plaatsgevonden, of op welk energieniveau. Het bereik van energieën waarbij inflatie had kunnen plaatsvinden is enorm, die zich uitstrekt over 70 ordes van grootte, " legt prof. Zygmunt Lalak (UW Natuurkunde) uit. Hij voegt eraan toe, "Inflatie wordt beschreven als een periode van onderkoelde expansie. om kosmologische modellen consistent te laten zijn, na inflatie, het heelal zou moeten zijn opgewarmd tot een zeer hoge temperatuur, en we hebben geen idee hoe of wanneer dit kan zijn gebeurd. Net als bij de inflatie zelf, we hebben te maken met energieën in een bereik van 70 ordes van grootte. Als resultaat, de thermische geschiedenis van het universum moet nog worden beschreven."

Metingen van CMB-straling via de Planck-satelliet zijn gebruikt om de samenstelling van het hedendaagse universum te schatten. Het blijkt dat donkere energie maar liefst 69 procent van alle bestaande energie/materie omvat, waarbij donkere materie 26 procent omvat en gewone materie slechts 5 procent. Donkere materie en gewone materie werken helemaal niet samen, of hun interacties zijn zo zwak dat we nog maar net beginnen met het opmerken van de zwaartekracht van donkere materie op de beweging van sterren in sterrenstelsels en sterrenstelsels in clusters. Donkere energie zou een factor moeten zijn die verantwoordelijk is voor de versnelde uitdijing van het heelal.

"Ons inflatiemodel verschilt aanzienlijk van het model dat in het verleden werd voorgesteld. We begonnen met de veronderstelling dat sinds vandaag, donkere materie en donkere energie vormen tot 95 procent van de structuur van het heelal, dan moeten beide factoren direct na de oerknal ook van groot belang zijn geweest. Dit is waarom we de donkere sector van het universum beschrijven als verantwoordelijk voor het inflatieproces, " legt Dr. Michal Artymowski (UW Natuurkunde) uit, hoofdauteur van het artikel gepubliceerd in de Tijdschrift voor Kosmologie en Astrodeeltjesfysica .

In het voorgestelde model is inflatie wordt aangedreven door een scalair veld. De eigenschappen van het veld betekenen dat inflatie niet permanent is en dat er een einde aan moet komen - op een gegeven moment, de uitdijingssnelheid van het heelal zal beginnen te vertragen in plaats van te versnellen. Op het punt van deze verschuiving, nieuwe relativistische deeltjes worden gevormd, zich op dezelfde manier gedragen als straling. Sommige van deze deeltjes worden beschreven door het standaardmodel, terwijl andere kunnen overeenkomen met deeltjes die worden voorspeld door theorieën die verder gaan dan het standaardmodel, zoals supersymmetrie.

"In onze modellen de nieuwe deeltjes zijn het resultaat van zwaartekracht, wat een zeer zwakke kracht is. Het proces van vorming van deeltjes is niet effectief, en aan het einde van de inflatie, inflatons blijven het universum domineren, " zegt Olga Czerwinska, doctoraat student aan UW Natuurkunde.

Om de waargenomen dominantie van straling in het heelal na te bootsen, inflatons zouden snel energie moeten verliezen. De onderzoekers stellen twee fysieke mechanismen voor die verantwoordelijk kunnen zijn voor het proces. Ze onthullen dat het nieuwe model het verloop van de thermische geschiedenis van het universum veel nauwkeuriger voorspelt dan voorheen.

Vooral de voorspellingen van het model met betrekking tot oer-gravitatiegolven zijn interessant. Zwaartekrachtgolven zijn trillingen van de ruimtetijd zelf, en ze zijn al meerdere keren gedetecteerd. In ieder geval, hun bron is de samensmelting van een paar zwarte gaten of neutronensterren. Huidige kosmologische modellen voorspellen dat gravitatiegolven ook zouden moeten verschijnen als gevolg van inflatie. Echter, al het bewijs suggereerde dat trillingen van ruimtetijd veroorzaakt door inflatie nu zo zwak zouden zijn dat geen bestaande of toekomstige detectoren in staat zouden zijn geweest om ze te registreren. Deze voorspellingen werden herzien toen natuurkundigen van de Universiteit van Warschau rekening hielden met de effecten van de donkere sector van het universum.

"Zwaartekrachtgolven verliezen energie als straling. inflatons moeten het aanzienlijk sneller verliezen. Als inflatie betrekking had op de donkere sector, de invoer van zwaartekrachtsgolven nam evenredig toe. Dit betekent dat sporen van de oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven niet zo zwak zijn als we oorspronkelijk dachten, " voegt Dr. Artymowski toe.

De schattingen van de natuurkundige uit Warschau zijn optimistisch. Gegevens suggereren dat oer-gravitatiegolven kunnen worden gedetecteerd door observatoria die zich momenteel in de ontwerpfase bevinden of in aanbouw zijn, zoals de Deci-Hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO), Laser Interferometer Ruimte Antenne (LISA), Europese Pulsar Timing Array (EPTA) en Square Kilometre Array (SKA). De eerste gebeurtenissen zouden in het komende decennium kunnen worden gedetecteerd. Voor kosmologen, dit zou een ongekende ontdekking zijn, de weg vrijmaakten voor onderzoek naar zwaartekrachtsgebeurtenissen die plaatsvonden onmiddellijk na de oerknal - een periode die tot nu toe onmogelijk te bestuderen was.

Het donkere inflatiemodel heeft nog een ander fascinerend aspect:het is sterk afhankelijk van de zwaartekrachttheorie. Door de voorspellingen van het model te vergelijken met gegevens verzameld door zwaartekrachtobservatoria, kosmologen zouden nieuwe verificaties van Einsteins algemene relativiteitstheorie moeten kunnen leveren. Wat gebeurt er als ze afwijkingen ontdekken? Het zou betekenen dat waarnemingsgegevens de eerste informatie verschaffen over de eigenschappen van echte zwaartekracht.