Symulacje ewolucji wczesnego Wszechświata

Profesor Cheng Chin i jego współpracownicy z Uniwersytetu w Chicago przeprowadzili symulację niewyobrażalnych warunków, jakie musiały istnieć we wczesnym Wszechświecie, tuż po Wielkim wybuchu. Doświadczenie odbyło się przy użyciu silnie schłodzonej komory próżniowej. Źródło: Jason Smith

Naukowcy wykorzystali atomy cezu schłodzone w komorze próżniowej do lepszego zrozumienia ewolucji wielkoskalowych struktur bardzo wczesnego Wszechświata. Zdołali odtworzyć wzór przypominający rozkład mikrofalowego promieniowania tła (CMB) w warunkach laboratoryjnych, symulując Wielki Wybuch. Projekt przeprowadzili trzej naukowcy zatrudnieni w Stanach Zjednoczonych – profesor Cheng Chin z Uniwersytetu w Chicago, Chen-Lung Hung z CalTech, i Victor Gurarie z Uniwersytetu w Kolorado.

Mikrofalowe promieniowanie tła, w skrócie CMB, to swojego rodzaju echo Wielkiego Wybuchu. Najlepsze i najdokładniejsze pomiary rozkładu tego promieniowania pochodzą z satelitów COBE (Cosmic Background Explorer, 1990) i WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), a także z kilku obserwatoriów naziemnych. Mapy rozkładu CMB są dla współczesnych kosmologów jak gdyby zdjęciami bardzo wczesnego Wszechświata - prawie 380 000 po Wielkim Wybuchu. Chmura atomów cezu, schłodzonych do zaledwie niewielkiego ułamka stopnia powyżej temperatury zera absolutnego, –273.15 stopni Celsjusza u umieszczona w komorze próżniowej, może, jak się okazało, wykazywać zachowania podobne do tych, jakie zapoczątkował właśnie Wielki Wybuch Wszechświata. W tych ekstremalnie niskich temperaturach atomy ulegają wzbudzeniu i zaczynają zachowywać się niczym fale akustyczne w powietrzu. Gęste upakowanie materii wraz z promieniowaniem, które istniało we wczesnym Wszechświecie, musiało wygenerować podobne wzbudzenia i fale dźwiękowe, co wykazały już COBE, WMAP, i inne eksperymenty.

Falujące echa Wielkiego Wybuchu


Nagła i gwałtowna ekspansja Wszechświata, jaka miała miejsce podczas fazy jego inflacji, przyczyniła się do powstania zmarszczek w czasoprzestrzeni. To takie odległe echo po Wielkim Wybuchu. Można – pamiętając jednak, że to wielkie uproszczenie – myśląc o Wielkim Wybuchu jako o pewnej eksplozji, która wygenerowała fale dźwiękowe. Fale te mogły następnie interferować ze sobą nawzajem, tworząc w rezultacie bardzo złożone wzory. Te obserwowane wzory uwidaczniają się dziś jako cała złożoność Wszechświata.

„Zmarszczki” powstałe jako efekt inflacji i Wielkiego Wybuchu znane są jako oscylacje akustyczne Sakharova, nazwane tak na cześć rosyjskiego fizyka Andreja Sakharova, który jako pierwszy opisał to zjawisko w latach sześćdziesiątych. Aby odtworzyć oscylacje Sakharova w warunkach laboratoryjnych Chin i jego zespół schłodzili gładką, niemal płaską chmurę złożoną z około 10 000 atomów cezu do temperatury blisko jednej miliardowej stopnia powyżej zera absolutnego, tworząc tym samym egzotyczny stan materii, znany w fizyce jako atomowy superfluid 2-D. Następnie zapoczątkowany został tam proces, który miał za zadanie kontrolować wzajemne oddziaływania pomiędzy atomami układu. Naukowcy zauważyli, że czyniąc te oddziaływania na przemian silniejszymi i słabszymi udało się wygenerować oscylacje Sakharova.

Taki „Wszechświat” zasymulowany w laboratorium China miał niewiele ponad 70 mikronów średnicy, czyli mniej więcej tyle, co przekrój ludzkiego włosa. Jednak, zdaniem profesora, ta sama fizyka działa na bardzo różnych skalach przestrzennych. Celem doświadczenia było przede wszystkim lepsze zrozumienie kosmicznej ewolucji „niemowlęcego” Kosmosu z krótkiego okresu zaraz po Wielkim Wybuchu. Wszechświat był wówczas dużo mniejszy niż obecnie, ze średnicą jedynie 100 000 lat świetlnych. To właśnie wtedy powstawał wzór zbudowany z mikrofalowego promieniowania tła – wzór, który kosmologowie mogą podziwiać i badać na dzisiejszym niebie.

380 000 lat czy 10 milisekund ?

Profesor Chin twierdzi, że Wszechświat potrzebował zaledwie 380 000 lat, by wyewoluować do swej wczesnej postaci, jaką my sami możemy dziś oglądać jako obserwowany rozkład CMB. Fizycy cząsteczkowi byli jednak w stanie odtworzyć bardzo podobny rozkład w mniej więcej 10 milisekund. Na tym opiera się istotność przedstawionego tu odkrycia – widać też, że symulacje w oparciu o „zimne” atomy cezu mogą być potężnym narzędziem badawczym.

Profesor Hung uważa też, że oscylacje Sakharova mogą okazać się znakomitym narzędziem do badania właściwości kosmicznej „cieczy”we wczesnym Wszechświecie. Tzw. superfluid 2-D może być dzięki nim badany przy różnych warunkach początkowych, co może dać nam więcej informacji o tym ciekawym stanie skupienia materii. Naukowcy w swych symulacjach komputerowych zmieniali w różny sposób warunki, jakie mogły panować we wczesnym Kosmosie, szybko zmieniające tempo oddziaływań pomiędzy zimnymi atomami cezu. Wówczas właśnie pojawiały się zmarszczki – odpowiednik zmarszczek, czy raczej falowań w strukturze czasoprzestrzeni, które z czasem zrodziły różne jej fluktuacje.

Współczesna mapa rozkładu mikrofalowego promieniowania tła ukazuje nam jak gdyby migawkę tego, jak wyglądał Wszechświat w pewnym momencie, wiele, wiele lat temu. Jednak mapa taka nie mówi nam nic o tym, co działo się przedtem, ani też o tym, co było później. Dopiero dzięki przeprowadzanym obecnie symulacjom komputerowym można dosłownie monitorować całą ewolucję czasową oscylacji Sakharova. Między innymi dlatego Chin i Hung chcą kontynuować badania z wykorzystaniem silnie schłodzonych atomów, rozszerzając je jednak na różne dziedziny astrofizyki, w tym na symulacje procesów formowania się galaktyk oraz na dynamikę czarnych dziur.


Cały artykuł można przeczytać pod adresem: http://arxiv.org/abs/1209.0011

Źródło: Elżbieta Kuligowska | Źródło: astronomy.com

Liczba odsłon: 2208