Οι αρχέγονες δομές του νεογέννητου σύμπαντος. The very first structures in the Universe

Οι αστροφυσικοί προσομοιώνουν το αρχέγονο σύμπαν. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν την ανάπτυξη μικροσκοπικών, εξαιρετικά πυκνών δομών αμέσως μετά την εκθετική διαστολή του νεογέννητου σύμπαντος (η φάση αυτή ονομάζεται πληθωρισμός). Μεταξύ της αρχικής και τελικής κατάστασης της προσομοίωσης (πάνω αριστερά και δεξιά αντίστοιχα), η περιοχή που εμφανίζεται έχει διασταλεί δέκα εκατομμύρια φορές από τον αρχικό της όγκο, αλλά εξακολουθεί να είναι κατά πολύ μικρότερη από το μέγεθος ενός πρωτονίου. Το μεγεθυμένο σύμπλεγμα κάτω αριστερά που προέκυψε περίπου 10^-24 δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη, αντιστοιχεί σε μάζα περίπου 20 κιλών και ακτίνα της τάξης των 10^-20 μέτρων. The results of the simulation show the growth of tiny, extremely dense structures very soon after the inflation phase of the very early universe. Between the initial and final states in the simulation (top left and right respectively), the area shown has expanded to ten million times its initial volume, but is still many times smaller than the interior of a proton. The enlarged clump at the bottom left would have a mass of about 20kg. Photo: Jens Niemeyer, University of Göttingen

Οι πρώτες στιγμές του σύμπαντος δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, μπορούν όμως να ανακατασκευαστούν μαθηματικά. Οι φυσικοί από τα πανεπιστήμια Γκαίτινγκεν και Ώκλαντ εκτελώντας σύνθετες προσομοιώσεις σε υπολογιστές κατάφεραν να αναπαράγουν την αρχέγονη δομή του σύμπαντος. Ανακάλυψαν ότι ένα περίπλοκο δίκτυο δομών μπορεί να σχηματιστεί στο πρώτο τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Η συμπεριφορά αυτών των δομών μιμείται την κατανομή των γαλαξιών στο σημερινό σύμπαν. Ωστόσο, σε αντίθεση με το σήμερα, αυτές οι πρώιμες δομές είναι απίστευτα μικροσκοπικές. Τυπικά συμπλέγματα αυτών των δομών έχουν μάζες λίγων γραμμαρίων και χωρούν σε όγκους πολύ μικρότερους από τα σημερινά στοιχειώδη σωματίδια. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε από τους Benedikt Eggemeier, Jens C. Niemeyer, Richard Easther και τα αποτελέσματα της μελέτης τους δημοσιεύθηκαν  στο περιοδικό Physical Review D με τίτλο «Formation of inflaton halos after inflation».

Professor Jens Niemeyer. Photo: University of Göttingen

Οι ερευνητές κατάφεραν να προσομοιώσουν την εξέλιξη των περιοχών υψηλότερης πυκνότητας που συγκρατούνται από τη δική τους βαρύτητα. «Ο φυσικός χώρος που αντιπροσωπεύει η προσομοίωσή μας θα χωρούσε εκατομμύρια φορές σε ένα πρωτόνιο», λέει ο καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Γκαίτινγκεν Jens Niemeyer. «Είναι πιθανώς η μεγαλύτερη προσομοίωση της μικρότερης περιοχής του σύμπαντος που έχει πραγματοποιηθεί μέχρι τώρα.» Αυτές οι προσομοιώσεις οδηγούν σε ακριβέστερες προβλέψεις για τις ιδιότητες αυτών των αρχέγονων δομών του σύμπαντος.

The first moments of the Universe can be reconstructed mathematically even though they cannot be observed directly. Physicists have greatly improved the ability of complex computer simulations to describe this moment, discovering that a complex network of structures can form in the first trillionth of a second after the Big Bang. These microscopic clumps have masses of only a few grams and fit into volumes much smaller than particles. Shown here, one of the dense clumps of inflatons that emerged during the inflation phase of the Big Bang, in the infant universe. (Image credit: Jens Niemeyer/University of Göttingen)

Αν και οι δομές που προσομοιώνονται στον υπολογιστή είναι πολύ βραχύβιες και τελικά θα «εξατμιστούν» στα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια, ίχνη αυτής της ακραίας πρώιμης φάσης μπορεί να είναι ανιχνεύσιμες σε μελλοντικά πειράματα. «Ο σχηματισμός τέτοιων δομών, καθώς και οι κινήσεις και οι αλληλεπιδράσεις τους, πρέπει να έχουν προκαλέσει έναν θόρυβο υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων», λέει ο Benedikt Eggemeier. «Με τη βοήθεια των προσομοιώσεών μας, μπορούμε να υπολογίσουμε την ισχύ αυτού του σήματος βαρυτικών κυμάτων, το οποίο μπορεί να είναι μετρήσιμο (;) στο μέλλον.» Επίσης δεν είναι απίθανο να σχηματίζονται μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, αν αυτές οι δομές υποστούν κατάρρευση, οι οποίες θα αποτελούν σήμερα μέρος της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης στο σύμπαν.

Πηγές: Benedikt Eggemeier, Jens C. Niemeyer, Richard Easther. Formation of inflaton halos after inflation. Physical Review D, 2021; 103 (6) DOI: 10.1103/PhysRevD.103.063525 - https://www.uni-goettingen.de/en/3240.html?id=6208 - https://physicsgg.me/2021/04/04/