Физики смоделировали изначальную квантовую структуру нашей Вселенной
Всматривайтесь в небо достаточно долго, и Вселенная начинает напоминать ночной город. Галактики приобретают характеристики уличных фонарей, загромождающих районы темной материи, соединенных газовыми магистралями, протянувшимися вдоль берегов межгалактического небытия.
Эта карта Вселенной была предопределена, составлена из мельчайших дрожжей Квантовая физика через несколько мгновений после того, как Большой взрыв привел к расширению пространства и времени около 13,8 миллиардов лет назад.
Но что именно представляли собой эти флуктуации и как они приводили в движение физику, благодаря которой атомы объединялись в Массивные космические структуры, которые мы видим сегодня, все еще далеки от ясности.
Недавний математический анализ моментов после периода, называемого инфляционной эпохой, показывает, что какая-то структура могла существовать даже внутри кипящей квантовой печи, заполнявшей младенческой Вселенной, и это могло бы помочь нам лучше понять ее структуру сегодня.
Астрофизики из Геттингенского университета в Германии и Оклендского университета в Новой Зеландии использовали сочетание моделирования движения частиц нс и своего рода гравитационно-квантовое моделирование для предсказания того, как структуры могут образовываться при конденсации частиц после того, как произошло надувание.
Масштаб такого моделирования немного сногсшибателен. Речь идет о массах до 20 килограммов, втиснутых в пространство диаметром всего 10–20 метров, в то время как Вселенной было всего 10–24 секунд.
«Физическое пространство, представленное в нашем моделировании, уместилось бы в одном протоне в миллион раз больше», — сказал астрофизик Йенс Нимейер из Геттингенского университета.
«Это, вероятно, самое большое моделирование наименьшей области Вселенной, которое было выполнено до сих пор».
Большая часть того, что мы знаем об этой ранней стадии существования Вселенной, основана именно на такого рода математических исследованиях. Самый древний свет, мерцающий во Вселенной, который мы все еще можем видеть, — это космическое фоновое излучение (CMB), и к тому времени все это шоу уже было в пути около 300 000 лет.
Но в пределах этого слабого эха древнего излучения есть некоторые подсказки о том, что происходило.
Свет реликтового излучения был испущен, когда основные частицы объединились в атомы из горячего, плотного супа энергии, в так называемую эпоху рекомбинации.
Карта этого фонового излучения на небе показывает, что наша Вселенная уже имела какую-то структуру к нескольким сотням тысяч лет. Были немного более холодные и чуть более теплые частицы, которые могли подтолкнуть материю в области, где в конечном итоге зажгутся звезды, закрутятся галактики и массы объединятся в космический город, который мы видим сегодня.
Это ставит вопрос
. p>
Пространство, из которого состоит наша Вселенная, расширяется, а это значит, что когда-то Вселенная была намного меньше. Поэтому само собой разумеется, что все, что мы видим вокруг себя, когда-то было втиснуто в объем, слишком тесный для того, чтобы возникали такие теплые и прохладные пятна.
Как чашка кофе в печи, любая часть должна остыть, прежде чем снова нагреется.
Период инфляции был предложен как способ решить эту проблему. В течение триллионных долей секунды после Большого взрыва наша Вселенная увеличилась в размерах на безумную величину, фактически заморозив любые изменения квантового масштаба на месте.
Сказать, что это произошло в мгновение ока, все равно не получится. сделать это справедливо. Он начался примерно через 10-36 секунд после Большого взрыва и закончился через 10-32 секунд. Но этого было достаточно, чтобы пространство приняло пропорции, препятствующие тому, чтобы небольшие колебания температуры снова сгладились.
Расчеты исследователей сосредоточены на этом коротком мгновении после инфляции, демонстрируя, как элементарные частицы застывают из пены. квантовой ряби в то время могли породить краткие ореолы материи, достаточно плотные, чтобы сморщить само пространство-время.
«Формирование таких структур, а также их движения и взаимодействия должны были породить фоновый шум гравитационного волны», — сказал астрофизик из Геттингенского университета Бенедикт Эггемейер, первый автор исследования.
«С помощью нашего моделирования мы можем рассчитать силу этого сигнала гравитационной волны, которую можно будет измерить в будущем. «
В некоторых случаях огромные массы таких объектов могли втягивать материю в первичные черные дыры, объекты, которые, как предполагается, вносят свой вклад в таинственное притяжение темной материи.
Факт поведения т Эти структуры имитируют крупномасштабное скопление нашей Вселенной сегодня, не обязательно означает, что они напрямую ответственны за сегодняшнее распределение звезд, газа и галактик.
Но сложная физика, разворачивающаяся среди этих свежеиспеченных частиц, все еще может быть видимым в небе среди этого холмистого ландшафта мерцающих огней и темных пустот, которые мы называем Вселенной.
Это исследование было опубликовано в Physical Review D.
Версия этой статьи была впервые опубликована в марте 2021 года.
