Θεωρίες φυσικής Κοσμολογία

Προσομοίωση δείχνει τα «inflatons» που θα μπορούσαν να είναι οι πρώτες δομές στο σύμπαν

Written by Δ.Μ.

Το πρώτο τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου μετά το Big Bang , το σύμπαν ήταν μία ζεστή “σούπα” πάνω από ένα τρισεκατομμύριο βαθμούς. Αν και οι επιστήμονες δεν μπορούν να παρατηρήσουν άμεσα αυτή τη στιγμή, μπορούν να την ανακατασκευάσουν χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστών υψηλής ισχύος. Μια πρόσφατη προσομοίωση εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης ενός μικροσκοπικού τμήματος του σύμπαντος – ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από ένα πρωτόνιο – αποκάλυψε τις πρώτες δομές που υπήρξαν ποτέ. Και αυτές οι πυκνές κατασκευές είναι περίεργες.

Share

Το πρώτο τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου μετά το Big Bang , το σύμπαν ήταν μία ζεστή “σούπα” πάνω από ένα τρισεκατομμύριο βαθμούς. Αν και οι επιστήμονες δεν μπορούν να παρατηρήσουν άμεσα αυτή τη στιγμή, μπορούν να την ανακατασκευάσουν χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστών υψηλής ισχύος.  Μια πρόσφατη προσομοίωση εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης ενός μικροσκοπικού τμήματος του σύμπαντος – ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από ένα πρωτόνιο – αποκάλυψε τις πρώτες δομές που υπήρξαν ποτέ. Και αυτές οι πυκνές κατασκευές είναι περίεργες.

dense-clumps-inflatons

Στην εικόνα φαίνεται ένα πυκνό μικροσκοπικό σύμπλεγμα inflatons  όπως εμφανίστηκαν μετά τη φάση του πληθωρισμού στο Big Bang. Το σύμπλεγμα προέκυψε περίπου 10-24 δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη και αντιστοιχεί σε μάζα περίπου 20 kg και ακτίνα της τάξης των 10-20 μέτρων.

Στη νέα προσομοίωση φαίνεται η ανάπτυξη μικροσκοπικών, εξαιρετικά πυκνών δομών πολύ σύντομα μετά τη φάση του πληθωρισμού του πολύ πρώιμου σύμπαντος. Μεταξύ της αρχικής και της τελικής κατάστασης η περιοχή επεκτάθηκε 10 εκατομμύρια φορές του αρχικού όγκου της, αλλά εξακολουθεί να είναι πολλές φορές μικρότερη από το εσωτερικό ενός πρωτονίου.

Το πεδίο του inflaton είναι ένα υποθετικό βαθμωτό πεδίο το οποίο θεωρείται ότι οδήγησε τον κοσμικό πληθωρισμό στο πολύ πρώιμο σύμπαν. Το πεδίο αυτό, που αρχικά υποστηρίχθηκε από τον κοσμολόγο Alan Guth, παρέχει έναν μηχανισμό με τον οποίο μπορεί να δημιουργηθεί μια περίοδος ταχείας επέκτασης από 10 ^-35 έως 10 ^-34 δευτερόλεπτα μετά την αρχική διαστολή, σχηματίζοντας έτσι να σύμπαν σύμφωνο με την παρατηρούμενη χωρική ισοτροπία και ομοιογένεια.

Οι νέες προσομοιώσεις, οι πιο λεπτομερείς που έγιναν ποτέ, έδειξαν πώς τότε η βαρύτητα δημιούργησε τα κβαντικά σωματίδια που είναι γνωστά ως inflatons. Τα αποτελέσματα έδειξαν για πρώτη φορά πώς αυτά τα συμπαγή κομμάτια σχηματίζουν σύνθετες και πυκνές δομές που ζύγιζαν από λίγα γραμμάρια έως 20 κιλά, περιορισμένα σε ένα χώρο μικρότερο από ένα στοιχειώδες σωματίδιο. 

Οι προσομοιώσεις είναι οι πρώτες που δείχνουν αρκετές λεπτομέρειες και που οι επιστήμονες μπορούν να αποκρυπτογραφήσουν το εύρος των μεγεθών και των σχημάτων αυτών των βρεφικών δομών. Επιπλέον, τα αποτελέσματα ταιριάζουν καλά με ένα απλό θεωρητικό μοντέλο που είναι σχεδόν 40 ετών.

Οι νέες προσομοιώσεις διαμόρφωσαν μια εποχή στο τέλος του πληθωρισμού, μια περίοδο κατά την οποία το σύμπαν μεγάλωσε τρομακτικά σε μέγεθος και σε ελάχιστο χρόνο. Εκείνη την εποχή, το σύμπαν περιείχε μόνο ενέργεια και inflatons – έναν τύπο κβαντικής ύλης που σχηματίστηκε από το ενεργειακό πεδίο που γέμισε όλο το χώρο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Οι φυσικοί πιστεύουν ότι οι δομές inflatons που φαίνονται στις προσομοιώσεις προέκυψαν από διακυμάνσεις σε αυτό το ενεργειακό πεδίο (το inflaton) αμέσως μετά το Big Bang. Αυτό το ίδιο πεδίο πιθανότατα δημιούργησε τις γαλαξιακές δομές μεγάλης κλίμακας που παρατηρούνται στο σύμπαν σήμερα που έχουν έκταση δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Οι πυκνές δομές γεμάτες με inflatons που φαίνονται στις προσομοιώσεις πιθανότατα δεν κράτησαν πολύ, καθώς πιθανότατα μετατράπηκαν σε στοιχειώδη σωματίδια μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Αλλά με τις υψηλές πυκνότητές τους – φτάνοντας έως και 100.000 φορές πιο πυκνό τον περιβάλλοντα χώρο – οι κινήσεις και οι αλληλεπιδράσεις τους μπορεί να έχουν δημιουργήσει κυματισμούς στον ιστό του χωροχρόνου που ονομάζονται βαρυτικά κύματα. Οι νέες προσομοιώσεις θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να υπολογίσουν ακριβώς πόσο μεγάλα ήταν αυτά τα κύματα βαρύτητας, γεγονός που θα βοηθήσει τα μελλοντικά πειράματα να αναζητήσουν παρόμοιους κυματισμούς στο σύμπαν.

Τα μικρά συμπαγή κομμάτια μπορεί επίσης να έχουν καταρρεύσει κάτω από το δικό τους βάρος, δημιουργώντας τις πρώτες μαύρες τρύπες του σύμπαντος, που ονομάζονται αρχέγονες μαύρες τρύπες. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι τέτοιες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι υποψήφιες για τη σκοτεινή ύλη – τη μυστηριώδη ουσία που κανείς δεν έχει δει άμεσα αλλά αποτελεί το 85% της ύλης στο σύμπαν σήμερα. Οι φυσικοί δεν είδαν μαύρες τρύπες στις προσομοιώσεις τους, αλλά σκοπεύουν να τρέξουν κι άλλες πιο λεπτομερείς προσομοιώσεις στο μέλλον, που θα μπορούσαν να δείξουν τέτοια αντικείμενα.

Δεδομένου ότι ορισμένες αρχέγονες μαύρες τρύπες πρέπει να παραμείνουν στο σημερινό σύμπαν, η εύρεση κάποιου θα μπορούσε να βοηθήσει στην επαλήθευση των επιστημονικών μοντέλων αυτών των πρώτων στιγμών και στα πρώτα στάδια του σύμπαντος.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share