Na zlomek sekundy poté, co před 13,8 miliardami let došlo k velkému třesku, se podle většiny fyziků nově zrozený vesmír dramaticky zvětšil a přeskočil z menšího než proton na větší než softball. Taková exponenciální expanze se může zdát nepatrná, ale rovná se hroznové révě v dlani, která se zvětší a stane se desetitisíckrát větší než pozorovatelný vesmír. Známý jako kosmická inflacetoto podivné, pomíjivé období je obvykle považováno za expanzi téměř nicoty, protože v té době většina elementárních částic vesmíru ještě nezačala existovat. Jinými slovy, standardní pohled na kosmickou inflaci naznačuje, že vesmír ve skutečnosti nezačal jako horká, hustá ohnivá koule, ale spíše jako studená prázdnota, která se později nějakým špatně pochopeným procesem znovu zahřála do plazmatické polévky částic.
Ale a nová teoretická studie zveřejněno v časopise Fyzické kontrolní dopisy naznačuje, že inflace mohla být od začátku teplá. Vědci ve skutečnosti zjistili, že teplé období inflace, které začalo zalidňovat vesmír hmotou, mohlo přirozeně vzniknout z interakcí v rámci fyzikálního standardního modelu, teorie, která popisuje základní síly a elementární částice ve vesmíru.
„To, co jsme v tomto článku ukázali, je, že být teplý během inflace je extrémně obecný a extrémně jednoduchý,“ říká jeho hlavní autor Kim Berghaus, postdoktorand v oboru teoretické fyziky na California Institute of Technology. Řešení problému studené inflace vyžaduje pouze jeden nepotvrzený typ částic, říká. „Dostáváme se k základu ‚To se mohlo skutečně stát v přírodě a můžeme to jít hledat‘,“ dodává Berghaus.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceňované žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a nápadech, které formují náš dnešní svět.
Inflace samotná je velkou záhadou. Většina fyziků si myslí, že se to stalo během první 0,00000000000000000000000000000000000000001 sekundy (10–32 sekunda) kosmického času, kdy se vesmír rozšířil až 10násobně50. Důvod, proč někdo bere tuto ohromující myšlenku vážně, je ten, že by to vysvětlilo to, co velký třesk sám o sobě nedokáže – totiž proč se vesmír jeví tak extrémně jednotný ve velmi velkých měřítcích. Studie dosvitu velkého třesku – celooblohového šepotu záření zvaného kosmické mikrovlnné pozadí nebo CMB – ukazují, že je v podstatě všude stejný. Nejpřímější způsob, jak vysvětlit tuto nadpřirozenou hladkost, je období nafouknutí, které poskytuje čas pro vesmír dítěte, aby dosáhl jednotné teploty.
Mezitím by inflace také zesílila drobné náhodné fluktuace v raném vesmíru, což by vytvořilo variace hustoty v primordiální plazmě. Ty fungovaly jako semena pro kosmické struktury; jak jejich gravitace spojovala další hmotu, hustší oblasti by nakonec vyrostly a staly se hvězdami naplněnými galaxiemi a kupami galaxií.
Zatím neexistují žádné přímé pozorovací důkazy pro inflaci, takže utřídit její detaily je úkolem pro teoretiky. Zpočátku si fyzici představovali inflaci jako studený proces, který zahrnuje energetická pole, která prostupují celý vesmír. Pohánělo ho pole s vysokou potenciální energií, nazývané inflatonové pole, které se chovalo trochu jako koule kutálející se z kopce a při sestupu přeměňovala svou potenciální energii na energii kinetickou. Na začátku byl tento „kopec“ mírný, téměř plochý, a jak se nafukovací „koule“ kutálela dolů, exponenciálně se rozpínající vesmír rychle ztrácel hustotu. Tento „kopec“ nakonec dosáhl svého dna, když se rozpínající se vesmír zředil téměř na vakuum. V tomto okamžiku by se valící se nafukovací „koule“ mohla v podstatě protočit kolem výsledného „údolí“ a uvolnit svou kinetickou energii, aby vytvořila mnoho elementárních částic a znovu zahřála vesmír. Teprve poté pokračoval scénář „novorozený vesmír jako ohnivá koule“.
Ale přesně to, jak by k tomuto kroku opětovného zahřátí došlo, nebylo dobře pochopeno, říká Vahid Kamali, hostující profesor na McGill University a docent na Bu-Ali Sina University v Íránu, který studuje kosmologii raného vesmíru a nebyl zapojen do nového výzkumu. Fyzici přemýšleli, zda je tento krok nutný, nebo zda existuje způsob, jak celý inflační proces udržet v teple.
Arjun Berera, teoretický fyzik z University of Edinburgh, který se také nepodílel na nové studii, byl první, kdo navrhl teplou inflaci v roce 1995. Studená inflace byla v některých ohledech příliš jednoduchá, říká Berera. „Když systémy interagují, očekáváme, že dojde ke tření a produkci částic,“ říká. „A inflace, ve standardním obrázku, to neměla.“
První model Berery byl zpočátku zamítnut. Kritici tvrdili, že teplá inflace by se účinně spálila a předčasně by chrlila interagující částice, které by vysály její potenciální energii. V analogii s kopcem by se nafukovací „koule“ náhle zřítila z příliš strmého svahu, čímž by celý proces náhle skončil.
„Výzvou vždy bylo, jak najít model, který produkuje částice, ale nevytváří tak strmý kopec,“ říká Berera.
Berera a jeho kolegové publikoval článek v roce 2016 který našel takový model pomocí interakcí a polí podobných těm známým ve standardním modelu. Berghaus a její spoluautoři Marco Drewes z Katolické univerzity v Lovani v Belgii a Sebastian Zell z Univerzity Ludwiga Maximiliana v Mnichově to ve svém novém článku posouvají o krok dále a pevně situují teplou inflaci do samotného standardního modelu. Jejich výpočty ukazují, že slabá interakce mezi inflatonovým polem a elementárními částicemi zvanými gluony by stačila k zahřátí inflace. Gluony nesou silnou jadernou sílu, která slepuje základní částice zvané kvarky, aby vytvořily protony a neutrony.
„To, co udělali, je vytvořit toto spojení, že můžete mít teplou inflaci pomocí standardních modelových interakcí,“ říká Rudnei Ramos, teoretický fyzik na Rio de Janeiro State University v Brazílii, který je spoluautorem článku z roku 2016, ale nebyl zapojen do nové studie.
Tyto interakce standardního modelu by zahřály nafukovací vesmír, čímž by se vyhnuly komplikacím nutnosti následné fáze opětovného ohřevu. Při studené inflaci jsou počáteční fluktuace všechny nepředstavitelně malé a kvantové, říká Berera, a musí později přejít k větším, takzvaným klasickým interakcím během zahřívání. Problém je v tom, že nikdo ve skutečnosti nechápe, jak se tento proces vyvíjí. Ale v teplé inflaci „to není velký problém,“ říká, „protože jsou již klasické.“
Nový model má jednu klíčovou výhradu: o částici, která vytváří inflatonové pole, zatím není známo, že by existovala. Byla by to velmi lehká částice bez náboje zvaná axion, říká Berghaus. Fyzici hledali axiony po celá desetiletí, protože některé možné varianty těchto částic by mohly tvořit většinu nebo všechny temná hmota vesmíru. Existují náznaky, že by mohly existovat axiony, včetně slabé záře pozadí v prostoru, který byl objevila sonda New Horizons v roce 2022. Pokud existují, měly by se jich v každém krychlovém centimetru sluneční soustavy nacházet biliony. Projekty jako např Experiment temné hmoty Axionve spolupráci University of Washington, Lawrence Livermore National Laboratory a dalších institucí v současné době loví tyto částice pomocí intenzivních magnetických polí k jejich přeměně na detekovatelné mikrovlnné fotony.
Spoléhání nového modelu na axiony naznačuje, že existují dvě cesty pro případné experimentální ověření – jedna prostřednictvím budoucích průzkumů CMB k testování některých předpovědí modelu a druhá prostřednictvím probíhajícího laboratorního hledání těchto nepolapitelných částic.
I když vyhlídka na testovatelnost činí tento nový model velmi vzrušujícím, říká Kamali, stále je třeba udělat mnohem více, aby byl uveden do souladu s jinými teoriemi v kosmologii. Jedním z příkladů, říká, je, že velikost inflatonového pole v novém modelu neodpovídá předpovědím z teorie strun. I tak se lákání důkladného vysvětlení kosmické inflace v rámci dobře známých zásad Standardního modelu pravděpodobně ukáže jako neodolatelné pro dychtivé teoretiky i experimentátory.
„V naší práci existuje příležitost pro objev, který může prozkoumat spojení mezi fyzikou částic a velkým třeskem,“ říká Berghaus. „Protože naše navrhovaná teorie úzce souvisí se standardním modelem, je testovatelná.“
