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把“砰”的大爆炸

物理学家模拟关键“再加热”时期,动工在宇宙中的第二个的第一分数的大爆炸。


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作为大爆炸理论认为,地方约13.8十亿年前宇宙爆炸应运而生,作为冷却,因为它扩大了物质的无限小,结构紧凑火球,从而触发熟了第一代恒星和星系,以及所有形式的反应无论我们看到的(并且)今天。

一鼓作气推出了宇宙到其不断扩大的过程之前,物理学家认为,还有一个,在游戏早期宇宙的更具爆炸性的阶段:宇宙膨胀,历时不到一秒钟的一万亿分。在此期间,物质 - 一冷,均匀GOOP - 大爆炸的过程之前充气成倍迅速接手更加缓慢扩大和多样化的婴儿宇宙。

最近的观测独立支撑理论两个大爆炸和宇宙膨胀。但是这两个过程是这样彼此完全不同,科学家们一直在努力想象如何一个接着另一个。

现在物理学家在澳门太阳城最新网站,凯尼恩学院,和其他地方的模拟详细早期宇宙中可能已经桥接宇宙膨胀与宇宙大爆炸的一个中间阶段。这个阶段,被称为“再加热”,在那搏斗通货膨胀的冷,统一物质进入ultrahot,复杂的汤那是发生在大爆炸开始的宇宙膨胀和参与过程的结束发生。

“在postinflation再加热期间设立的条件,一鼓作气,在某种意义上使大爆炸的‘砰’的,”戴维·凯撒,科学和澳门太阳城最新网站物理学教授史的germeshausen教授说。 “这是此桥期间,所有的地狱破散和物质的行为在任何东西,但一个简单的方法。”

凯泽和他的同事详细模拟是怎么回事的多种形式会期间,在通货膨胀结束这一混乱的时期已与之互动。其仿真结果表明,驱使通货膨胀极端能量可以被重新分配一样快,一秒钟甚至更小部分内,并在生产,将被要求在大爆炸开始条件的方式。

该研究小组发现这种极端的转变将是更快,更有效的,如果量子效应修改了此事回应引力在非常高的能量的方式,从广义相对论的爱因斯坦的理论方法预测偏离物质和引力相互作用应。

“这使我们能够告诉一个完整的故事,从通胀到postinflation期间,大爆炸和超越,”凯瑟说。 “我们可以追踪一组连续的过程,所有已知的物理,说这是在宇宙来看看我们今天看到的方式一个可行办法。”

小组的研究结果今天出现在 物理评论快报。 Kaiser的合着者主要作者雷切尔阮,和约翰吨。吉布林,无论凯尼恩学院,以及前澳门太阳城最新网站研究生埃sfakianakis和j要么inde范·德可见,无论是在荷兰莱顿大学。

“同步与自身”

宇宙膨胀理论,在20世纪80年代由澳门太阳城最新网站的阿兰·古斯的V.F.首次提出物理学教授韦斯科普夫预言,宇宙开始作为物质的一个非常小的斑点,可能大约一百十亿质子的大小。这种斑点充满了超高能量物质,使精力充沛生成排斥引力内的压力 - 通胀背后的驱动力。像火花以熔丝,这重力分解婴儿宇宙向外,以越来越快的速率,它膨胀到其原始大小近一个千的十六次方倍(这是随后26个零的数目1),在小于一万亿分一秒。

凯泽和他的同事们试图弄清什么再加热的最初阶段 - 即桥间距在宇宙膨胀的结束,只是在大爆炸之前 - 也许看起来像。

“再加热的最初阶段应该由共振标记。的高能量物质一种形式占主导地位,它的震动同步来回跨越本身的空间大片,导致爆炸产生新的粒子,”凯瑟说。 “这种行为不会永远持续下去,一旦它开始将能量传递物质的第二种形式,其自身的波动将获得跨越空间更加震荡和不均匀。我们要衡量它需要多长时间为共振效应分手,并为产生的粒子散射掉对方,并达成某种热平衡,让人联想起大爆炸的条件。”

球队的计算机模拟代表到其所映射的物质的多种形式和跟踪他们的精力和分布如何在空间和随时间变化的科学家变化一定的条件下大网格。模拟的初始条件是基于特定的通胀模型 - 对怎么回事的早期宇宙中的分布可能宇宙膨胀过程中都表现得十分一组预测。

科学家选择了通货膨胀这一特殊的模型在别人是因为它的预测密切配合宇宙微波背景的高精度测量 - 大爆炸,这被认为是遏制通货膨胀时期的痕迹仅仅38万年之后发出的辐射残余的光芒。

一个普遍的调整

模拟跟踪两种类型的物质的膨胀期间可能已经占主导地位,非常类似于式颗粒,希格斯玻色子的行为,这是最近在其它实验中观察到。

运行他们的模拟之前,球队增加了一个轻微的“调整”重力模型的描述。而我们今天所看到的普通物质响应引力,就像爱因斯坦在他的广义相对论理论预言,不管在高得多的能量,比如什么思想宇宙膨胀过程中就已经存在,应该表现略有不同,在那些方面与重力相互作用通过量子力学,或相互作用在原子尺度修改。

在爱因斯坦的广义相对论的理论,引力的强度被表示为一个常数,与物理学家称之为最小耦合,这意味着,无论特定粒子的能量,它会以引力效应与设定的强度响应一个普遍的常数。

然而,在被在宇宙膨胀所预测的非常高的能量,物质在稍微更复杂的方式重力相互作用。量子力学效应预测重力的强度可以在空间和时间用超高能量物质相互作用时会发生变化 - 被称为nonminimal耦合的现象。

凯泽和他的同事成立的nonminimal耦合项到他们的通货膨胀模型,观察物质和能量的分布如何变化,他们把这个量子效应向上或向下。

最终他们发现,量子引力修饰效果是影响物更强,更快的宇宙从寒冷,同质物质转变在通货膨胀的物质是宇宙大爆炸的特性更热,形式多样。

通过调谐该量子效应,他们可以使此关键过渡发生在2至3“的E-褶皱”,指所花费的时间为宇宙(大致)三倍的大小的量。在这种情况下,他们设法花费宇宙的大小两个三到三倍的时间内模拟再加热阶段。通过比较,通胀本身发生了约60 E-倍。

“再加热是一个疯狂的时候,当一切都失控了,”皇帝说。 “我们表明,无论是在那个时候,它可以放松相应迅速以及交互如此强烈,精美的设置阶段为大爆炸。我们不知道这是事实,但是这就是新兴的从这些模拟,所有已知的物理学。那是什么让我们十分开心。”

“有几百个提案产生的通胀阶段,但通胀阶段,所谓的过渡‘热大爆炸’是故事的了解最少的部分,”理查德easther,在大学物理学教授说:奥克兰,谁没有参与这项研究。 “本文通过精确模拟模型中的postinflationary阶段有许多个人领域和复杂的动力学方面开辟了新天地。这些是非常具有挑战性的数值模拟,并延长现有技术的状态在非常早期宇宙非线性动力学研究“。

这项研究得到了支持,部分由美国能源和美国国家科学基金会的部门。


主题: 天体物理学, 计算机建模, 物理, 宇宙膨胀, 研究, 程序STS, 美国国家科学基金会(NSF), 科学学院, 人文艺术和社会科学学院, 能源部(DOE)

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