Zoals de oerknaltheorie gaat, ergens ongeveer 13,8 miljard jaar geleden explodeerde het universum tot bestaan, als een oneindig kleine, compacte vuurbal van materie die afkoelde terwijl hij uitbreidde, reacties uitlokken die de eerste sterren en sterrenstelsels deden ontstaan, en alle vormen van materie die we vandaag zien (en zijn).

Vlak voordat de oerknal het heelal op zijn steeds groter wordende koers lanceerde, natuurkundigen geloven, er was een andere, explosievere fase van het vroege heelal in het spel:kosmische inflatie, die minder dan een biljoenste van een seconde duurde. Gedurende deze periode, zaak - een verkoudheid, homogene rommel - exponentieel snel opgeblazen voordat processen van de oerknal het overnamen om het babyuniversum langzamer uit te breiden en te diversifiëren.

Recente waarnemingen hebben onafhankelijk theorieën ondersteund voor zowel de oerknal als de kosmische inflatie. Maar de twee processen zijn zo radicaal verschillend van elkaar dat wetenschappers moeite hebben gehad om te bedenken hoe de ene op de andere volgde.

Nu natuurkundigen aan het MIT, Kenia College, en elders hebben in detail een tussenfase van het vroege heelal gesimuleerd die de kosmische inflatie met de oerknal heeft overbrugd. Deze fase, bekend als "opwarmen, " vond plaats aan het einde van kosmische inflatie en omvatte processen die de kou van de inflatie worstelden, uniforme materie in de ultrahot, complexe soep die er was aan het begin van de oerknal.

"De heropwarmingsperiode na de inflatie schept de voorwaarden voor de oerknal, en in zekere zin zet de 'knal' in de oerknal, " zegt David Keizer, de Germeshausen Professor of the History of Science en professor in de natuurkunde aan het MIT. "Het is deze brugperiode waarin de hel losbreekt en materie zich allesbehalve eenvoudig gedraagt."

Kaiser en zijn collega's simuleerden in detail hoe meerdere vormen van materie met elkaar in wisselwerking zouden staan ​​tijdens deze chaotische periode aan het einde van de inflatie. Hun simulaties laten zien dat de extreme energie die de inflatie veroorzaakte, net zo snel had kunnen worden herverdeeld, binnen een nog kleinere fractie van een seconde, en op een manier die voorwaarden creëerde die nodig zouden zijn geweest voor het begin van de oerknal.

Het team ontdekte dat deze extreme transformatie nog sneller en efficiënter zou zijn geweest als kwantumeffecten de manier zouden veranderen waarop materie bij zeer hoge energieën op zwaartekracht reageert. afwijkend van de manier waarop Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat materie en zwaartekracht op elkaar inwerken.

"Hierdoor kunnen we een ononderbroken verhaal vertellen, van inflatie tot de periode na inflatie, naar de oerknal en verder, Kaiser zegt. "We kunnen een continue reeks processen traceren, allemaal met bekende natuurkunde, om te zeggen dat dit een plausibele manier is waarop het universum eruit kwam te zien zoals we het vandaag zien."

De resultaten van het team verschijnen vandaag in Fysieke beoordelingsbrieven . Kaiser's co-auteurs zijn hoofdauteur Rachel Nguyen, en John T. Giblin, beide van Kenya College, en voormalig MIT-afstudeerstudent Evangelos Sfakianakis en Jorinde van de Vis, beide van de Universiteit Leiden in Nederland.

"In sync met zichzelf"

De theorie van kosmische inflatie, voor het eerst voorgesteld in de jaren tachtig door Alan Guth van het MIT, de V.F. Weisskopf hoogleraar natuurkunde, voorspelt dat het universum begon als een extreem klein stipje materie, mogelijk ongeveer honderd miljardste van de grootte van een proton. Dit stipje was gevuld met ultrahoogenergetische materie, zo energiek dat de druk binnenin een afstotende zwaartekracht genereerde - de drijvende kracht achter inflatie. Als een vonk naar een zekering, deze zwaartekracht explodeerde het babyuniversum naar buiten, steeds sneller, het opblazen tot bijna een octiljoen keer de oorspronkelijke grootte (dat is het nummer 1 gevolgd door 26 nullen), in minder dan een biljoenste van een seconde.

Kaiser en zijn collega's probeerden erachter te komen hoe de vroegste fasen van opwarmen - dat bruginterval aan het einde van kosmische inflatie en vlak voor de oerknal - eruit zouden kunnen zien.

"De vroegste fasen van opwarmen moeten worden gekenmerkt door resonanties. Eén vorm van hoogenergetische materie domineert, en het schudt heen en weer synchroon met zichzelf over grote ruimten, leidt tot explosieve productie van nieuwe deeltjes, " zegt Kaiser. "Dat gedrag zal niet eeuwig duren, en zodra het energie begint over te dragen naar een tweede vorm van materie, zijn eigen schommels worden schokkeriger en ongelijker over de ruimte. We wilden meten hoe lang het zou duren voordat dat resonerende effect zou verdwijnen, en om de geproduceerde deeltjes van elkaar te laten verstrooien en tot een soort thermisch evenwicht te komen, doet denken aan de Big Bang-omstandigheden."

De computersimulaties van het team vertegenwoordigen een groot rooster waarop ze meerdere vormen van materie in kaart hebben gebracht en hebben bijgehouden hoe hun energie en distributie in de ruimte en in de tijd veranderden terwijl de wetenschappers bepaalde omstandigheden varieerden. De initiële omstandigheden van de simulatie waren gebaseerd op een bepaald inflatoir model - een reeks voorspellingen voor hoe de verdeling van materie in het vroege universum zich zou hebben gedragen tijdens kosmische inflatie.

De wetenschappers kozen dit specifieke inflatiemodel boven andere omdat de voorspellingen nauw overeenkomen met zeer nauwkeurige metingen van de kosmische microgolfachtergrond - een overblijfsel van straling die slechts 380 wordt uitgezonden, 000 jaar na de oerknal, waarvan wordt gedacht dat het sporen van de inflatoire periode bevat.

Een universele tweak

De simulatie volgde het gedrag van twee soorten materie die mogelijk dominant waren tijdens inflatie, zeer vergelijkbaar met een soort deeltje, het Higgs-deeltje, dat werd onlangs waargenomen in andere experimenten.

Voordat ze hun simulaties uitvoeren, het team voegde een kleine "tweak" toe aan de beschrijving van de zwaartekracht door het model. Terwijl gewone materie die we tegenwoordig zien, reageert op de zwaartekracht, net zoals Einstein voorspelde in zijn algemene relativiteitstheorie, materie bij veel hogere energieën, zoals wat wordt verondersteld te hebben bestaan ​​tijdens kosmische inflatie, zou zich iets anders moeten gedragen, interactie met de zwaartekracht op manieren die zijn gewijzigd door de kwantummechanica, of interacties op atomaire schaal.

In de algemene relativiteitstheorie van Einstein, de zwaartekracht wordt weergegeven als een constante, met wat natuurkundigen een minimale koppeling noemen, inhoudende dat, ongeacht de energie van een bepaald deeltje, het zal reageren op zwaartekrachtseffecten met een sterkte ingesteld door een universele constante.

Echter, bij de zeer hoge energieën die worden voorspeld in kosmische inflatie, materie interageert op een iets gecompliceerdere manier met de zwaartekracht. Kwantummechanische effecten voorspellen dat de sterkte van de zwaartekracht in ruimte en tijd kan variëren bij interactie met ultrahoge-energetische materie - een fenomeen dat bekend staat als niet-minimale koppeling.

Kaiser en zijn collega's namen een niet-minimale koppelingsterm op in hun inflatoire model en observeerden hoe de verdeling van materie en energie veranderde toen ze dit kwantumeffect omhoog of omlaag draaiden.

Uiteindelijk ontdekten ze dat hoe sterker het door kwantum gemodificeerde zwaartekrachteffect was bij het beïnvloeden van materie, hoe sneller het universum overging van de kou, homogene materie in inflatie tot de veel heter, verschillende vormen van materie die kenmerkend zijn voor de oerknal.

Door dit kwantumeffect af te stemmen, ze zouden deze cruciale overgang kunnen laten plaatsvinden over 2 tot 3 "e-folds, " verwijzend naar de hoeveelheid tijd die het universum nodig heeft om (ongeveer) te verdrievoudigen. In dit geval, ze slaagden erin om de opwarmfase te simuleren binnen de tijd die nodig is om het universum twee tot drie keer zo groot te maken. Ter vergelijking, inflatie zelf vond plaats over ongeveer 60 e-folds.

"Opwarmen was een gekke tijd, toen alles in de war raakte, " zegt Kaiser. "We laten zien dat materie in die tijd zo sterk met elkaar in wisselwerking stond dat het ook navenant snel kon ontspannen, prachtig decor voor de oerknal. We wisten niet dat dat het geval was, maar dat komt uit deze simulaties naar voren, allemaal met bekende fysica. Dat is het spannende voor ons."