Có một lỗ hổng trong câu chuyện về việc vũ trụ của chúng ta hình thành như thế nào. Đầu tiên, vũ trụ phồng lên nhanh chóng, giống như một quả bóng bay. Sau đó, mọi thứ đã bùng nổ.
Nhưng làm thế nào hai thời kỳ đó được kết nối đã trốn tránh các nhà vật lý. Bây giờ, một nghiên cứu mới cho thấy một cách để liên kết hai kỷ nguyên.
Trong thời kỳ đầu tiên, vũ trụ đã phát triển từ một điểm gần như vô cùng nhỏ đến gần một phần triệu (tức là 1 theo sau là 27 số không) có kích thước nhỏ hơn một phần nghìn giây. Thời kỳ lạm phát này được theo sau bởi một giai đoạn mở rộng dần dần, nhưng dữ dội hơn, chúng ta gọi là Vụ nổ lớn. Trong Vụ nổ lớn, một quả cầu lửa cực kỳ nóng của các hạt cơ bản - như proton, neutron và electron - đã mở rộng và làm lạnh để tạo thành các nguyên tử, ngôi sao và thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay.
Lý thuyết Big Bang, mô tả lạm phát vũ trụ, vẫn là lời giải thích được hỗ trợ rộng rãi nhất về cách vũ trụ của chúng ta bắt đầu, nhưng các nhà khoa học vẫn bối rối bởi cách các giai đoạn mở rộng hoàn toàn khác nhau này được kết nối. Để giải quyết câu hỏi hóc búa vũ trụ này, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Kenyon, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đại học Leiden của Hà Lan đã mô phỏng quá trình chuyển đổi quan trọng giữa lạm phát vũ trụ và Big Bang - giai đoạn mà họ gọi là "hâm nóng".
"Thời kỳ hâm nóng hậu lạm phát thiết lập các điều kiện cho Vụ nổ lớn và, theo một cách nào đó, đặt 'tiếng nổ' vào Vụ nổ lớn," David Kaiser, giáo sư vật lý tại MIT, cho biết trong một tuyên bố. "Đây là giai đoạn cầu nối mà tất cả địa ngục vỡ ra và vật chất hành xử theo bất cứ điều gì ngoại trừ một cách đơn giản."
Khi vũ trụ giãn nở trong nháy mắt trong một giây trong lạm phát vũ trụ, tất cả các vật chất hiện có được trải ra, khiến vũ trụ trở thành một nơi lạnh lẽo và trống rỗng, không có món súp nóng của các hạt cần thiết để đốt cháy Vụ nổ lớn. Trong giai đoạn hâm nóng, lạm phát đẩy năng lượng được cho là phân rã thành các hạt, Rachel Nguyen, một sinh viên tiến sĩ vật lý tại Đại học Illinois và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết.
"Một khi những hạt đó được tạo ra, chúng nảy xung quanh và va vào nhau, truyền động lượng và năng lượng", Nguyen nói với Live Science. "Và đó là những gì làm nóng và phục hồi vũ trụ để đặt ra các điều kiện ban đầu cho Vụ nổ lớn."
Trong mô hình của họ, Nguyen và các đồng nghiệp của cô đã mô phỏng hành vi của các dạng vật chất kỳ lạ được gọi là Inflatons. Các nhà khoa học nghĩ rằng các hạt giả thuyết này, có bản chất tương tự như boson Higgs, đã tạo ra trường năng lượng thúc đẩy lạm phát vũ trụ. Mô hình của họ cho thấy, trong những điều kiện thích hợp, năng lượng của các luồng có thể được phân phối lại một cách hiệu quả để tạo ra sự đa dạng của các hạt cần thiết để hâm nóng vũ trụ. Họ đã công bố kết quả của họ vào ngày 24 tháng 10 trên tạp chí Vật lý Đánh giá.
Một nồi nấu kim loại cho vật lý năng lượng cao
"Khi chúng ta nghiên cứu vũ trụ sơ khai, những gì chúng ta thực sự làm là một thí nghiệm hạt ở nhiệt độ rất, rất cao", Tom Giblin, phó giáo sư vật lý tại Đại học Kenyon ở Ohio và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. "Sự chuyển đổi từ thời kỳ lạm phát lạnh sang thời kỳ nóng là một trong những bằng chứng quan trọng về những hạt thực sự tồn tại ở những năng lượng cực kỳ cao này."
Một câu hỏi cơ bản mà các nhà vật lý gây ra là làm thế nào lực hấp dẫn hành xử ở những năng lượng cực đoan hiện diện trong quá trình lạm phát. Trong thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, tất cả các vật chất được cho là bị ảnh hưởng bởi trọng lực theo cùng một cách, trong đó cường độ của trọng lực là không đổi bất kể năng lượng của hạt. Tuy nhiên, vì thế giới kỳ lạ của cơ học lượng tử, các nhà khoa học nghĩ rằng, ở những năng lượng rất cao, vật chất phản ứng với trọng lực khác nhau.
Nhóm nghiên cứu đã kết hợp giả định này trong mô hình của họ bằng cách điều chỉnh mức độ mạnh mẽ của các hạt tương tác với trọng lực. Họ phát hiện ra rằng họ càng tăng sức mạnh của trọng lực, thì các luồng khí truyền năng lượng càng hiệu quả để tạo ra vườn thú các hạt vật chất nóng được tìm thấy trong Vụ nổ lớn.
Bây giờ, họ cần tìm bằng chứng để củng cố mô hình của mình ở đâu đó trong vũ trụ.
"Vũ trụ nắm giữ rất nhiều bí mật được mã hóa theo những cách rất phức tạp", Giblin nói với Live Science. "Công việc của chúng tôi là tìm hiểu về bản chất của thực tế bằng cách đưa ra một thiết bị giải mã - một cách để trích xuất thông tin từ vũ trụ. Chúng tôi sử dụng mô phỏng để đưa ra dự đoán về vũ trụ sẽ trông như thế nào để chúng tôi thực sự có thể bắt đầu giải mã nó. Thời gian hâm nóng này sẽ để lại dấu ấn ở đâu đó trong vũ trụ. Chúng ta chỉ cần tìm ra nó. "
Nhưng việc tìm ra dấu ấn đó có thể là khó khăn. Cái nhìn thoáng qua đầu tiên của chúng ta về vũ trụ là một bong bóng phóng xạ còn sót lại từ vài trăm nghìn năm sau Vụ nổ lớn, được gọi là nền vi sóng vũ trụ (CMB). Tuy nhiên, CMB chỉ gợi ý về trạng thái của vũ trụ trong những giây phút quan trọng đầu tiên của sự ra đời. Các nhà vật lý như Giblin hy vọng những quan sát trong tương lai của sóng hấp dẫn sẽ cung cấp manh mối cuối cùng.
