Mörk materia och mörk energi kan ha drivit inflationen, universums exponentiella expansion ögonblick efter Big Bang. En ny kosmologisk modell föreslagen av fysiker vid universitetet i Warszawa, som står för mörk inflation, är den första som skisserar en exakt kronologi över de viktigaste händelserna under vårt universums tidiga historia. Modellen gör en spektakulär förutsägelse – att det borde vara möjligt att upptäcka gravitationsvågor som bildas bara bråkdelar av en sekund efter skapandet av rumtiden.

Vad vet vi om universums utveckling omedelbart efter Big Bang? Trots omfattande forskning utförd under decennier, nuvarande kosmologiska modeller beskriver fortfarande inte en exakt kronologi över händelserna. Forskare vid fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa (UW Physics) har utvecklat en ny modell där den exponentiella expansionen av mörk materia och mörk energi spelar en nyckelroll. Den mörka inflationsmodellen organiserar universums termiska historia i kronologisk ordning och förutspår att vi snart borde kunna upptäcka primordiala gravitationsvågor som bildades omedelbart efter Big Bang.

Den tidigaste strukturen av universum vi kan studera idag är kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning (CMB). Denna elektromagnetiska relik går tillbaka till omkring 380, 000 år efter Big Bang och är förvånansvärt homogen, även i regioner som är så långt ifrån varandra att ljuset inte kunde ha täckt avståndet mellan dem under den tillgängliga tiden. 1979, Alan Guth föreslog inflation som en enkel förklaring till denna enhetlighet:De nuvarande stora avstånden mellan de homogena regionerna är så stora eftersom, vid en tidpunkt, det skedde en extremt snabb expansion av rumtiden, att förstora en miljard miljard miljarder gånger om på bara bråkdelar av en sekund. Detta sägs ha drivits av ett hypotetiskt inflationsfält och partiklar som kallas inflatons.

"Det grundläggande problemet med inflation är att vi inte riktigt vet när den inträffade, eller vid vilka energinivåer. Spännet av energier vid vilka inflation kunde ha inträffat är stort, sträcker sig över 70 storleksordningar, " förklarar prof. Zygmunt Lalak (UW Fysik). Han tillägger, "Inflation beskrivs som en period av underkyld expansion. för att kosmologiska modeller ska vara konsekventa, efter inflation, universum borde ha genomgått återuppvärmning till en mycket hög temperatur, och vi har ingen aning om hur eller när detta kan ha inträffat. Precis som med själva inflationen, vi har att göra med energier över ett intervall av 70 storleksordningar. Som ett resultat, universums termiska historia ska ännu inte beskrivas."

Mätningar av CMB-strålning via Planck-satelliten har använts för att uppskatta sammansättningen av det samtida universum. Det visar sig att mörk energi utgör så mycket som 69 procent av all bevarad energi/materia, med mörk materia som omfattar 26 procent och vanlig materia bara 5 procent. Mörk materia och vanlig materia samverkar inte alls, eller så är deras interaktioner så svaga att vi bara har börjat märka mörk materias gravitationspåverkan på rörelsen av stjärnor i galaxer och galaxer i kluster. Mörk energi borde vara en faktor som är ansvarig för den accelererade expansionen av universum.

"Vår inflationsmodell skiljer sig väsentligt från de som föreslagits tidigare. Vi började med antagandet att sedan idag, mörk materia och mörk energi utgör upp till 95 procent av universums struktur, då måste båda faktorerna också ha varit oerhört viktiga direkt efter Big Bang. Det är därför vi beskriver universums mörka sektor som ansvarig för inflationsprocessen, " förklarar Dr. Michal Artymowski (UW Physics), huvudförfattare till tidningen publicerad i Journal of Cosmology and Astropartikelfysik .

I den föreslagna modellen, inflationen drivs av ett skalärt fält. Fältets egenskaper gör att inflationen inte är permanent och den måste ta slut — någon gång, universums expansionshastighet kommer att börja sakta ner istället för att accelerera. Vid punkten av denna förändring, nya relativistiska partiklar bildas, beter sig på samma sätt som strålning. Vissa av dessa partiklar beskrivs av standardmodellen, medan andra kan motsvara partiklar som förutspåtts av teorier bortom standardmodellen, som supersymmetri.

"I våra modeller, de nya partiklarna är resultatet av gravitation, vilket är en mycket svag kraft. Processen för bildning av partiklar är ineffektiv, och i slutet av inflationen, uppblåsningar fortsätter att dominera universum, säger Olga Czerwinska, Ph.D. student vid UW Physics.

För att återskapa den observerade dominansen av strålning i universum, inflatons bör förlora energi snabbt. Forskarna föreslår två fysiska mekanismer som kan vara ansvariga för processen. De avslöjar att den nya modellen förutsäger händelseförloppet i universums termiska historia med en mycket större noggrannhet än tidigare.

Modellens förutsägelser om primordiala gravitationsvågor är särskilt intressanta. Gravitationsvågor är vibrationer av rumtiden själv, och de har redan upptäckts flera gånger. I varje fall, deras källa har varit sammanslagning av ett par svarta hål eller neutronstjärnor. Nuvarande kosmologiska modeller förutspår att gravitationsvågor också bör uppstå som ett resultat av inflation. Dock, alla bevis tydde på att rymdtidsvibrationer orsakade av inflation skulle vara så svaga vid det här laget att inga befintliga eller framtida detektorer skulle ha kunnat registrera dem. Dessa förutsägelser reviderades när fysiker från Warszawas universitet tog hänsyn till effekterna av universums mörka sektor.

"Gravitationsvågor förlorar energi som strålning. inflatons måste förlora det betydligt snabbare. Om inflationen involverade den mörka sektorn, inmatningen av gravitationsvågor ökade proportionellt. Detta betyder att spåren av de ursprungliga gravitationsvågorna inte är så svaga som vi ursprungligen trodde, " tillägger Dr. Artymowski.

Uppskattningarna från Warszawa-fysikern är optimistiska. Data tyder på att primordiala gravitationsvågor skulle kunna detekteras av observatorier som för närvarande är på designstadiet eller under uppbyggnad, såsom Deci-Hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO), Laser Interferometer rymdantenn (LISA), European Pulsar Timing Array (EPTA) och Square Kilometer Array (SKA). De första händelserna kan upptäckas under det kommande decenniet. För kosmologer, detta skulle vara en oöverträffad upptäckt, bana väg för forskning om gravitationshändelser som ägde rum omedelbart efter Big Bang – en period som hittills var omöjlig att studera.

Den mörka inflationsmodellen har en annan fascinerande aspekt:​​den är starkt beroende av gravitationsteori. Genom att jämföra modellens förutsägelser med data som samlats in av gravitationsobservatorier, kosmologer borde kunna tillhandahålla nya verifikationer av Einsteins allmänna relativitetsteori. Vad händer om de hittar avvikelser? Det skulle innebära att observationsdata ger den första informationen om egenskaperna hos verklig gravitation.