Pomyśl o zagotowaniu wody w garnku: gdy temperatura osiągnie punkt wrzenia, w wodzie tworzą się bąbelki, pękają i odparowują, gdy woda się gotuje. Dzieje się tak, dopóki woda nie zmienia fazy z ciekłej w parę.
To mniej więcej wyobrażenie o tym, co wydarzyło się w bardzo wczesnym wszechświecie, zaraz po Wielkim Wybuchu, 13,7 miliarda lat temu.
Pomysł wyszedł od fizyka cząstek elementarnych Martina S. Slotha z Centrum Kosmologii i Fenomenologii Fizyki Cząstek na Uniwersytecie Południowej Danii oraz Floriana Niedermanna z Nordyckiego Instytutu Fizyki Teoretycznej (NORDITA) w Sztokholmie. Niedermann jest poprzednim postdocem w grupie badawczej Slotha. W tym nowym artykule naukowym przedstawiają jeszcze silniejsze podstawy dla swojego pomysłu.
Wiele bąbelków zderzających się ze sobą
„Trzeba sobie wyobrazić, że bąbelki powstawały w różnych miejscach we wczesnym wszechświecie. Zwiększały się i zaczęły zderzać się ze sobą. W końcu doszło do skomplikowanego stanu zderzających się bąbelków, które uwalniały energię i ostatecznie wyparowywały” – powiedział Martin S. . Lenistwo.
Tłem dla ich teorii przemian fazowych w bulgoczącym wszechświecie jest bardzo interesujący problem z obliczeniem tzw. stałej Hubble’a; wartość określająca szybkość rozszerzania się wszechświata. Sloth i Niedermann uważają, że bulgoczący wszechświat odgrywa tu rolę.
Stałą Hubble’a można bardzo wiarygodnie obliczyć, na przykład analizując kosmiczne promieniowanie tła lub mierząc, jak szybko galaktyka lub eksplodująca gwiazda oddalają się od nas. Według Slotha i Niedermanna obie metody są nie tylko niezawodne, ale także naukowo uznane. Problem polega na tym, że te dwie metody nie prowadzą do tej samej stałej Hubble’a. Fizycy nazywają ten problem „napięciem Hubble’a”.
Czy jest coś nie tak z naszym obrazem wczesnego wszechświata?
„W nauce trzeba być w stanie osiągnąć ten sam wynik różnymi metodami, więc tutaj mamy problem. Dlaczego nie uzyskujemy tego samego wyniku, skoro jesteśmy tak pewni obu metod?” — powiedział Florian Niedermann.
Sloth i Niedermann uważają, że znaleźli sposób na uzyskanie tej samej stałej Hubble’a, niezależnie od zastosowanej metody. Ścieżka rozpoczyna się przejściem fazowym i bulgoczącym wszechświatem – a zatem wczesny bulgoczący wszechświat jest powiązany z „napięciem Hubble’a”.
„Jeśli założymy, że te metody są niezawodne – a myślimy, że są – to może metody nie stanowią problemu. Może powinniśmy spojrzeć na punkt wyjścia, podstawę, do której stosujemy metody. Może ta podstawa jest źle.”
Nieznana ciemna energia
Podstawą metod jest tzw. Model Standardowy, który zakłada, że we wczesnym Wszechświecie było dużo promieniowania i materii, zarówno normalnej, jak i ciemnej, i że były to dominujące formy energii. Promieniowanie i normalna materia zostały skompresowane w ciemnej, gorącej i gęstej plazmie; stan wszechświata w ciągu pierwszych 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.
Kiedy opierasz swoje obliczenia na Modelu Standardowym, uzyskujesz różne wyniki dotyczące szybkości rozszerzania się Wszechświata – a tym samym różne stałe Hubble’a.
Ale może we wczesnym wszechświecie istniała nowa forma ciemnej energii? Tak uważają Sloth i Niedermann.
Jeśli wprowadzisz ideę, że nowa forma ciemnej energii we wczesnym wszechświecie nagle zaczęła bulgotać i przejść przemianę fazową, obliczenia się zgadzają. W swoim modelu Sloth i Niedermann dochodzą do tej samej stałej Hubble’a, stosując obie metody pomiaru. Nazywają ten pomysł Nową Wczesną Ciemną Energią – NEDE.
Przechodzenie z jednej fazy do drugiej — jak woda do pary
Sloth i Niedermann uważają, że ta nowa, ciemna energia przeszła przemianę fazową, gdy wszechświat rozszerzył się, na krótko przed zmianą stanu gęstej i gorącej plazmy we wszechświat, który znamy dzisiaj.
– Oznacza to, że ciemna energia we wczesnym wszechświecie przechodziła przemianę fazową, tak jak woda może zmieniać fazę z zamarzniętej na ciekłą i parową. W trakcie tego procesu bąbelki energii ostatecznie zderzyły się z innymi bąbelkami i po drodze uwolniły energię, powiedział Niedermann.
„Mogło to trwać wszystko, od niesamowicie krótkiego czasu – być może tylko tyle, ile zajmuje zderzenie dwóch cząstek – do 300 000 lat. Nie wiemy, ale pracujemy nad tym, aby się dowiedzieć” – dodał Sloth.
Czy potrzebujemy nowej fizyki?
Tak więc model przejścia fazowego opiera się na fakcie, że wszechświat nie zachowuje się tak, jak mówi nam Model Standardowy. Sugerowanie, że coś jest nie tak z naszym fundamentalnym rozumieniem wszechświata, może brzmieć trochę szalenie naukowo; że możesz po prostu zaproponować istnienie nieznanych dotąd sił lub cząstek, aby rozwiązać napięcie Hubble’a.
„Ale jeśli ufamy obserwacjom i obliczeniom, musimy zaakceptować fakt, że nasz obecny model wszechświata nie może wyjaśnić danych, a następnie musimy ulepszyć model. Nie odrzucając go i jego dotychczasowych sukcesów, ale rozwijając go i czyniąc jest bardziej szczegółowy, aby mógł wyjaśnić nowe i lepsze dane” – powiedział Martin S. Sloth, dodając:
„Wygląda na to, że przejście fazowe w ciemnej energii jest brakującym elementem w obecnym Modelu Standardowym, aby wyjaśnić różne pomiary tempa rozszerzania się Wszechświata.
Jak szybko rozszerza się wszechświat?
Stała Hubble’a jest wartością określającą szybkość rozszerzania się wszechświata.
W modelu Martina S. Slotha i Floriana Niedermanna stała Hubble’a wynosi 72. W przybliżeniu. W końcu obliczane są duże odległości, więc musimy uwzględnić niepewność rzędu kilku miejsc po przecinku.
Co znaczy 72? Oznacza to 72 km na sekundę na megaparsek. Megaparsek to miara odległości między np. dwiema galaktykami, a jeden megaparsek to 30 000 000 000 000 000 000 km. Na każdy megaparsek dzielący nas od np. galaktyki, galaktyka oddala się od nas z prędkością 72 km na sekundę.
Kiedy mierzysz odległość do galaktyk za pomocą supernowych, otrzymujesz stałą Hubble’a wynoszącą ok. 73 (km/s)/megaparsek. Ale mierząc na pierwszych cząstkach światła (kosmiczne promieniowanie tła), stała Hubble’a wynosi 67,4 (km/s)/megaparsek.
Kiedy Sloth i Niedermann zmienili podstawę tych obliczeń, wprowadzając istnienie nowej, wczesnej, ciemnej energii, która przechodzi przemianę fazową – jak opisano w artykule – oba typy obliczeń dochodzą do stałej Hubble’a około 72.