Es gibt ein Loch in der Geschichte, wie unser Universum entstanden ist. Erstens blies sich das Universum schnell auf wie ein Ballon. Dann boomte alles.
Aber wie diese beiden Perioden miteinander verbunden sind, ist den Physikern entgangen. Eine neue Studie schlägt nun einen Weg vor, die beiden Epochen zu verbinden.
In der ersten Periode wuchs das Universum in weniger als einer Billionstelsekunde von einem fast unendlich kleinen Punkt auf fast eine Oktillion (das ist eine 1, gefolgt von 27 Nullen). Auf diese Inflationsperiode folgte eine allmählichere, aber gewalttätigere Expansionsperiode, die wir als Urknall kennen. Während des Urknalls dehnte sich ein unglaublich heißer Feuerball aus fundamentalen Teilchen - wie Protonen, Neutronen und Elektronen - aus und kühlte sich ab, um die Atome, Sterne und Galaxien zu bilden, die wir heute sehen.
Die Urknalltheorie, die die kosmische Inflation beschreibt, ist nach wie vor die am weitesten verbreitete Erklärung für den Beginn unseres Universums, doch die Wissenschaftler sind immer noch ratlos darüber, wie diese völlig unterschiedlichen Expansionsperioden miteinander verbunden sind. Um dieses kosmische Rätsel zu lösen, simulierten ein Forscherteam des Kenyon College, des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der niederländischen Universität Leiden den kritischen Übergang zwischen kosmischer Inflation und Urknall - eine Zeit, die sie "Wiedererwärmung" nennen.
"Die Aufwärmphase nach der Inflation schafft die Voraussetzungen für den Urknall und bringt in gewisser Weise den Knall in den Urknall", sagte David Kaiser, Professor für Physik am MIT, in einer Erklärung. "Es ist diese Brückenperiode, in der die Hölle losbricht und sich die Materie alles andere als einfach verhält."
Als sich das Universum während der kosmischen Inflation blitzschnell ausdehnte, breitete sich die gesamte vorhandene Materie aus und ließ das Universum an einem kalten und leeren Ort zurück, ohne die heiße Partikelsuppe, die zur Entzündung des Urknalls benötigt wurde. Während der Aufwärmphase wird angenommen, dass die Energie treibende Inflation in Partikel zerfällt, sagte Rachel Nguyen, Doktorandin in Physik an der Universität von Illinois und Hauptautorin der Studie.
"Sobald diese Partikel produziert sind, springen sie herum und klopfen ineinander, wodurch Impuls und Energie übertragen werden", sagte Nguyen gegenüber Live Science. "Und genau das thermisiert und erwärmt das Universum, um die Ausgangsbedingungen für den Urknall festzulegen."
In ihrem Modell simulierten Nguyen und ihre Kollegen das Verhalten exotischer Materieformen, die Inflatons genannt werden. Wissenschaftler glauben, dass diese hypothetischen Teilchen, die dem Higgs-Boson ähneln, das Energiefeld geschaffen haben, das die kosmische Inflation antreibt. Ihr Modell zeigte, dass unter den richtigen Bedingungen die Energie der Inflatons effizient umverteilt werden kann, um die Vielfalt der Partikel zu erzeugen, die zur Wiedererwärmung des Universums erforderlich sind. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 24. Oktober in der Zeitschrift Physical Review Letters.
Ein Tiegel für die Hochenergiephysik
"Wenn wir das frühe Universum untersuchen, machen wir wirklich ein Partikelexperiment bei sehr, sehr hohen Temperaturen", sagte Tom Giblin, Associate Professor für Physik am Kenyon College in Ohio und Co-Autor der Studie. "Der Übergang von der kalten zur heißen Inflationsperiode sollte einige wichtige Beweise dafür enthalten, welche Partikel bei diesen extrem hohen Energien tatsächlich existieren."
Eine grundlegende Frage, die Physiker plagt, ist, wie sich die Schwerkraft bei den extremen Energien verhält, die während der Inflation vorhanden sind. In Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie wird angenommen, dass alle Materie auf die gleiche Weise von der Schwerkraft beeinflusst wird, wobei die Schwerkraft unabhängig von der Energie eines Teilchens konstant ist. Aufgrund der seltsamen Welt der Quantenmechanik glauben Wissenschaftler jedoch, dass Materie bei sehr hohen Energien unterschiedlich auf die Schwerkraft reagiert.
Das Team hat diese Annahme in sein Modell aufgenommen, indem es optimiert hat, wie stark die Partikel mit der Schwerkraft interagieren. Sie entdeckten, dass die Inflatons Energie umso effizienter übertragen, je mehr sie die Schwerkraft erhöhten, um den Zoo der während des Urknalls gefundenen Partikel heißer Materie zu erzeugen.
Jetzt müssen sie Beweise finden, um ihr Modell irgendwo im Universum zu stützen.
"Das Universum birgt so viele Geheimnisse, die auf sehr komplizierte Weise verschlüsselt sind", sagte Giblin gegenüber Live Science. "Es ist unsere Aufgabe, die Natur der Realität kennenzulernen, indem wir ein Dekodierungsgerät entwickeln - eine Möglichkeit, Informationen aus dem Universum zu extrahieren. Wir verwenden Simulationen, um Vorhersagen darüber zu treffen, wie das Universum aussehen soll, damit wir tatsächlich mit der Dekodierung beginnen können. Diese Aufwärmphase sollte irgendwo im Universum Spuren hinterlassen. Wir müssen sie nur finden. "
Es könnte jedoch schwierig sein, diesen Aufdruck zu finden. Unser frühester Blick auf das Universum ist eine Strahlungsblase, die einige hunderttausend Jahre nach dem Urknall übrig geblieben ist und als kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) bezeichnet wird. Das CMB gibt jedoch nur Hinweise auf den Zustand des Universums während dieser ersten kritischen Sekunden der Geburt. Physiker wie Giblin hoffen, dass zukünftige Beobachtungen von Gravitationswellen die letzten Hinweise liefern werden.
