“All Hell Shatters”: una billonésima de segundo antes de la expansión Big Bang (función de fin de semana)

Recalentar Fue una época loca, cuando todo salió bien “. David KaiserCatedrático de Historia de la Ciencia en Germeshausen y Catedrático de Física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Como dice la teoría del Big Bang, Con, en algún lugar hace unos 13.800 millones de años, estalló en existencia, en la forma de una pequeña y compacta bola de fuego de materia que se enfrió a medida que se expandía, desencadenando reacciones que dieron lugar a las primeras estrellas, galaxias y todas las formas de materia que vemos (y son) Hoy.

Cuatro etapas del Big Bang

Hubo cuatro fases principales de la Era del Big Bang: (1) el comienzo del universo como un individuo en el espacio y el tiempo, (2) un período de inflación cósmica en el que el universo creció y se enfrió exponencialmente, y (3) un episodio de recalentamiento. , que dura sólo una billonésima de segundo, mientras la energía potencial decae de la inflación a todas las partículas elementales de la física, y finalmente (4) la expansión natural del universo donde los quarks se combinan en protones y neutrones y las cuatro fuerzas fundamentales de la física se separan en su formas distintas.

“Demostramos que el material reaccionaba fuertemente en ese momento [of reheating] Que también puede relajarse rápidamente a su vez “, continuó Kaiser,” preparando maravillosamente el escenario para el Big Bang “. No sabíamos que ese era el caso, pero eso es lo que surge de esta simulación, todo con física conocida. Eso es lo emocionante para nosotros “.

“todo se derrumba”

Antes de que el Big Bang lanzara el universo en su trayectoria en constante expansión, los físicos creían que había otra fase más explosiva del universo temprano: la inflación cósmica. Durante este período, la materia, una sustancia viscosa, fría y homogénea, creció exponencialmente rápidamente antes de que los procesos del Big Bang comenzaran a expandirse y diversificar lentamente el universo infantil.

Observaciones recientes han apoyado de forma independiente las teorías tanto del Big Bang como de la inflación cósmica. Pero los dos procesos son tan radicalmente diferentes entre sí que los científicos han luchado por visualizar cómo uno sigue al otro.

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Ahora, los físicos del MIT, Kenyon College y otros lugares tienen simulaciones detalladas de una etapa intermedia del universo temprano que puede haber vinculado la inflación cósmica con el Big Bang. Esta etapa, conocida como recalentamiento, ocurrió al final de la inflación cósmica e involucró los procesos de materia fría y uniforme que luchaba por inflarse en la sopa compleja y sobrecalentada que existía al comienzo del Big Bang.

Modo “Bang” en el Big Bang

“El período de recalentamiento después de la inflación establece las condiciones para el Big Bang y, en cierto sentido, pone la ‘explosión’ en el Big Bang”, dice Kaiser. “Es el período puente cuando todo el infierno se desata y la materia se comporta de cualquier manera menos pequeña”.

En una carta a Galaxia diariaCésar dijo:El modelo del Big Bang ha sido una guía notablemente exitosa para ayudar a los astrónomos, físicos y cosmólogos a comprender el comportamiento y la evolución de nuestro universo durante un período de aproximadamente 14 mil millones de años. Sin embargo, el modelo del Big Bang en sí se basa en diferentes supuestos, particularmente sobre las condiciones iniciales en la evolución temprana del universo. La más importante de estas suposiciones es que en tiempos muy tempranos el universo estaba lleno de materia que eventualmente podría formar núcleos y luego átomos. que las partículas tenían una energía media tan alta que se comportaban como radiación; Y que la materia que llena el universo estaba en equilibrio térmico “.

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Era de recalentamiento

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Continuó: “La época de recalentamiento, que sigue inmediatamente al final de la inflación cósmica, es un breve período durante el cual se pueden satisfacer las tres condiciones. Los tipos de materia que impulsaron la inflación se descomponen rápidamente en otras formas de materia, incluidas las partículas elementales de El modelo estándar de física de partículas, que consiste en materia ordinaria y posiblemente en partículas que se comportan también como materia oscura. La transferencia violenta y rápida de energía de la materia que impulsa la inflación da como resultado partículas que resultan de la descomposición que tienden a tener energías muy altas. – mucho más altas que las masas de partículas – por lo que las partículas producidas se comportan como radiación Y muchas de estas nuevas partículas se producen tan rápidamente que se dispersan rápidamente unas de otras, de modo que todo el grupo alcanza rápidamente el equilibrio térmico a la temperatura alta apropiada . “

Kaiser y sus colegas han realizado simulaciones detalladas de cómo interactúan múltiples formas de materia durante este período caótico al final de la inflación. Sus simulaciones muestran que la energía máxima que llevó a la inflación podría haberse redistribuido con la misma rapidez, en una fracción de segundo, y de una manera que produjo las condiciones que se habrían requerido para iniciar el Big Bang.

El equipo descubrió que esta transformación extrema habría sido más rápida y eficiente si los efectos cuánticos modificaran la forma en que la materia responde a la gravedad a energías muy altas, una desviación de la forma en que la teoría general de la relatividad de Einstein predice que la materia y la gravedad deberían interactuar.

Historia ininterrumpida

“Esto nos permite contar una historia en curso, desde la inflación hasta el período posterior a la inflación, el Big Bang y más allá”, dice Kaiser. “Podemos rastrear un conjunto continuo de procesos, todos usando la física conocida, para decir que esta es una forma plausible en la que el universo llegó a verse como lo vemos hoy”.

Los resultados del equipo aparecieron en Physical Review Letters. Los coautores de Kaiser son la autora principal Rachel Nguyen y John T Giblin, ambos de Kenyon College, y el ex estudiante graduado del MIT Evangelos Sfakianakis y Yorende van de Wis, ambos de la Universidad de Leiden en los Países Bajos.

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La teoría de la inflación cósmica, propuesta por primera vez en la década de 1980 por Alan Guth, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, predice que el universo comenzó como una pieza muy pequeña de materia, quizás alrededor de cien mil millonésimas del tamaño de un protón. Este lugar estaba lleno de una sustancia superenergética, tan enérgica que las presiones dentro de él generaban una fuerza gravitacional repulsiva, la fuerza impulsora detrás de la inflación. Como una chispa de fusión, esta fuerza gravitacional hizo volar el universo infantil hacia afuera, a un ritmo cada vez más rápido, inflándolo a casi ocho millones de veces su tamaño original (ese es el número 1 seguido de 26 ceros), en menos de una billonésima de segundo.

“Las primeras etapas del recalentamiento deben caracterizarse por ecos. Una sola forma de material de alta energía domina, vibrando hacia adelante y hacia atrás en sincronía consigo mismo a través de vastas franjas de espacio, provocando la producción explosiva de nuevas partículas”, dice Kaiser.

Agrega: “Este comportamiento no durará para siempre, y una vez que comience a transferir energía a una segunda forma de materia, sus propias fluctuaciones se volverán más entrecortadas y desiguales en el espacio. Queríamos medir cuánto tiempo tardaría este resonante efecto de desintegrarse, dispersando las partículas producidas entre sí. “Y alcanza una especie de equilibrio térmico, que recuerda las condiciones del Big Bang”.

Física extremadamente no lineal

En su correo electrónico a Galaxia diariaKaiser escribe: “La mayoría de estas interacciones físicas durante el recalentamiento involucran física altamente no lineal, y luego para comprender cómo progresan realmente, necesitamos usar simulaciones numéricas complejas. Usando nuestras últimas simulaciones, mis colegas y yo hemos podido demostrar que estos tres resultados distintos -Producción de una sopa espesa y caliente a partir de productos en descomposición que actúan como radiación y se convierten en una temperatura rápida -Puede suceder siguiendo modelos simples de inflación, sin necesidad de introducir ningún componente adicional en el modelo.Fue muy emocionante ver cómo eficientemente podría desplegar recalentamientos, proporcionando un puente entre la era inflacionaria y las condiciones más comunes del Big Bang.

Las simulaciones por computadora del equipo representaron una gran red en la que mapearon múltiples formas de materia y rastrearon cómo su energía y distribución cambiaron en el espacio y con el tiempo a medida que los científicos cambiaban ciertas condiciones. Las condiciones iniciales de la simulación se basaron en un modelo inflacionario específico: un conjunto de predicciones de cómo se comportaría la distribución de materia del universo temprano durante la inflación cósmica.

Los científicos eligieron este modelo particular de inflación sobre otros porque sus predicciones coincidían estrechamente con las mediciones de alta resolución del fondo cósmico de microondas: un resplandor residual de radiación emitido solo 380,000 años después del Big Bang, que se cree que contiene rastros del período inflacionario.

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Las simulaciones rastrearon el comportamiento de dos tipos de materia que pudieron haber predominado durante la inflación, muy similar a un tipo de partícula, el bosón de Higgs, observado recientemente en otros experimentos.

Antes de ejecutar las simulaciones, el equipo agregó un pequeño “ajuste” a la descripción de la gravedad del modelo. Si bien la materia ordinaria que vemos hoy responde a la gravedad tal como predijo Einstein en su teoría de la relatividad general, la materia a energías mucho más altas, como la que se cree que existió durante la inflación cósmica, debería comportarse de manera ligeramente diferente, interactuando con la gravedad de formas que son mecánica cuántica modificada, o interacciones a nivel atómico.

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En la teoría general de la relatividad de Einstein, la fuerza de la gravedad se representa como una constante, con lo que los físicos denominan un acoplamiento mínimo, lo que significa que no importa cuál sea la energía de una partícula en particular, responderá a las influencias gravitacionales con una fuerza determinada por una constante universal.

Sin embargo, a las energías muy altas que se predicen en la inflación cósmica, la materia interactúa con la gravedad de una manera un poco más compleja. Los efectos de la mecánica cuántica predicen que la fuerza de la gravedad puede variar en el espacio y el tiempo al interactuar con una sustancia de energía ultra alta, un fenómeno conocido como acoplamiento no inferior.

Kaiser y sus colegas incorporaron el término acoplamiento infinito en su modelo inflacionario y observaron cómo cambiaba la distribución de materia y energía cuando cambiaban este efecto cuántico hacia arriba o hacia abajo.

Al final, descubrieron que cuanto más fuerte era el efecto de la gravedad promedio cuántica al afectar la materia, más rápido pasaba el universo de la materia fría y homogénea en la inflación a las formas diversas y más calientes de materia características del Big Bang.

Al ajustar este efecto cuántico, pueden hacer que esta transición crucial ocurra en 2 o 3 “pliegues electrónicos”, refiriéndose a la cantidad de tiempo que tarda el universo (aproximadamente) en triplicarse. En este caso, pudieron simular una fase de recalentamiento dentro del tiempo que le tomaría al universo triplicar su tamaño de dos a tres veces. En comparación, la misma inflación ocurrió en un tramo electrónico de 60 veces.

Galaxia diaria, Maxwell Moastrofísico Miembro de la NASA Einstein, Universidad de Arizona vía David Kaiser Y el Con

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