Ученые смоделировали изначальную квантовую структуру нашей Вселенной

Достаточно долго всматриваться в небеса, и Вселенная начинает напоминать ночной город. Галактики приобретают характеристики уличных фонарей, загромождающих районы темной материи, связанные газовыми магистралями, которые проходят вдоль берегов межгалактического небытия.

Эта карта Вселенной была предопределена, изложена в мельчайших дрожжах квантовой физики в моменты после Большого взрыва, начавшегося с расширением пространства и времени около 13,8 миллиарда лет назад.

Тем не менее, что именно это были за флуктуации и как они приводят в движение физику, которая могла бы объяснить, как атомы объединяются в массивные космические структуры, которые мы видим сегодня, все еще не ясно.

Новый математический анализ периода, называемого инфляционной эпохой, показывает, что какие-то структуры могли существовать даже внутри бурлящей квантовой печи, наполнявшей новорожденную Вселенную, и это может помочь нам лучше понять ее структуру сегодня.

Астрофизики из Геттингенского университета в Германии и Оклендского университета в Новой Зеландии использовали сочетание моделирования движения частиц и своего рода гравитационно-квантового моделирования, чтобы предсказать, как могут образовываться структуры при конденсации частиц после инфляции.

Масштаб такого моделирования немного ошеломляет. Мы говорим о массах до 20 килограммов, сжатых в пространстве размером всего 10^-20 метров в то время, когда Вселенной было всего 10^-24 секунды.

«Физическое пространство, представленное нашей симуляцией, могло бы поместиться в один протон миллион раз», — говорит астрофизик Йенс Нимейер из Геттингенского университета.

«Это, вероятно, самая масштабная симуляция самой маленькой области Вселенной, которая была проведена до сих пор».

Большая часть того, что мы знаем об этой ранней стадии существования Вселенной, основано именно на таких математических исследованиях. Самый старый свет, который мы все еще можем видеть во Вселенной, — это космическое фоновое излучение (CMB), и к тому времени шоу уже продолжалось около 300000 лет.

Но в этом слабом эхе древнего излучения есть некоторые ключи к разгадке того, что происходило.

Реликтовое излучение происходило в виде основных частиц, объединенных в атомы из горячего плотного энергетического супа, в так называемую эпоху рекомбинации.

Карта этого фонового излучения показывает, что наша Вселенная уже имела какую-то структуру к возрасту в несколько сотен тысяч лет. Были более прохладные и чуть более теплые части, которые могли подтолкнуть материю в области, где в конечном итоге зажглись звезды, возникли спиралевидные галактики, создав космос, который мы видим сегодня.

Но возникает вопрос.

Пространство, составляющее нашу Вселенную, расширяется, а это значит, что когда-то Вселенная должна была быть намного меньше. Таким образом, само собой разумеется, что все, что мы видим вокруг нас сейчас, когда-то было втиснуто в объем, слишком ограниченный для появления таких теплых и прохладных пятен.

Как чашка кофе в печи, никакая часть не могла остыть, прежде чем снова нагреется.

Инфляционный период был предложен как способ решения этой проблемы. За триллионную долю секунды после Большого взрыва наша Вселенная безумно увеличилась в размерах, практически заморозив любые изменения квантового масштаба.

Сказать, что это произошло в мгновение ока, все равно было бы несправедливо. Расширение должно было начаться примерно через 1036 секунд после Большого взрыва и закончиться через 1032 секунды. Но этого было достаточно, чтобы пространство приобрело пропорции, не позволяющие снова сгладить небольшие перепады температуры.

Расчеты исследователей сосредоточены на этом кратком мгновении после инфляции, демонстрируя, как элементарные частицы, застывшие из пены квантовой ряби в то время, могли образовывать короткие ореолы материи, достаточно плотные, чтобы сморщить само пространство-время.

«Формирование таких структур, а также их движения и взаимодействия должны были вызвать фоновый шум гравитационных волн», — говорит астрофизик Геттингенского университета Бенедикт Эггемайер, автор исследования.

«С помощью нашего моделирования мы можем вычислить силу этого сигнала гравитационной волны, которую можно будет измерить в будущем».

В некоторых случаях огромные массы таких объектов могли затянуть материю в первичные черные дыры, объекты, предположительно способствующие загадочному притяжению темной материи.

Тот факт, что поведение таких структур имитирует крупномасштабное скопление нашей Вселенной сегодня, не обязательно означает, что они напрямую повлияли на сегодняшнее распределение звезд, газа и галактик.

Но сложная физика, разворачивающаяся среди этих свежеиспеченных частиц, все еще может быть видна в небе, среди ландшафта мерцающих огней и темных пустот, которые мы называем Вселенной.

Исследование было опубликовано в Physical Review D.