Vladi333/Shutterstock
Liksom den långvariga frågan om vad som ligger bortom det observerbara kosmos, förblir undersökningen om vad som fanns före BigBang – ögonblicket som markerade födelsen av rum, tid och materia för 13,8 miljarder år sedan – ett av de djupaste mysterierna i modern fysik. I en föreläsning 2017 betonade den kända teoretiska fysikern DavidTong att termen "BigBang" är en felaktig benämning, eftersom den förmedlar en bild av en enkel explosion när vi i själva verket inte har någon empirisk kunskap om vad som föregick singulariteten.
Kärnan i detta pussel är singulariteten själv:en punkt där all universums massa och energi skulle komprimeras till en oändlig liten volym, vilket resulterar i oändlig densitet och noll rumslig utsträckning. Även om singulariteten också är ett kännetecken för svarta håls interiörer, är de exakta förhållandena som gav upphov till det expanderande universum fortfarande okända.
Under de senaste decennierna har en handfull hypoteser försökt fylla detta tomrum. 2008 antydde analys av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) – det svaga efterskenet från BigBang – att primordiala temperaturfluktuationer kan antyda en "bubbla" som härrör från ett redan existerande universum. En artikel från 2018 i Physical Review Letters av LathamBoyle, KieranFinn och NeilTurok förde fram idén om ett speglat, kontrariskt universum som fanns före BigBang. Nyare arbete har till och med angett ett flyktigt intervall mellan singulariteten och BigBang, under vilket universum genomgick en explosion av snabb expansion som kunde generera den mörka materia vi observerar idag.
ArtsiomP/Shutterstock
Även om vi ännu inte kan fastställa tillståndet i kosmos i ögonblicket för dess födelse, ger kosmologin en anmärkningsvärt exakt bild av universums tidiga ögonblick. Genom att mäta expansionshastigheten och extrapolera bakåt drar vi slutsatsen att universum en gång kondenserades till en singularitet - ett tillstånd av oändlig densitet och temperatur. Temperaturen vid tiden för BigBang uppskattas till 1,8×10³²°F (10²⁶K), en siffra som understryker de extrema förhållanden som rådde då.
Hur kunde då något redan existera i ett universum som påstås börja med en singularitet? Svaret ligger i utvecklingen av själva BigBang-ramverket. Standardmodellen beskriver en snabb inflationsfas – en bråkdel av en sekund under vilken universum expanderade snabbare än ljuset – omedelbart efter singulariteten. Den senaste teoretiska utvecklingen tyder på att denna inflationsepok i sig kan vara en övergång från en tidigare fas, som erbjuder ett fönster in i världen före BigBang.
Triff/Shutterstock
Kosmisk inflation artikulerades först i början av 1980-talet av AlanGuth, AlexeiStarobinsky, AndreiLinde och KatsuhikoSato. Teorin föreslår att en kort, exponentiell expansion inträffade före den kanoniska BigBang, utjämnade universums geometri och präglade de subtila anisotropierna vi nu observerar i CMB. Bevis för fluktuationer över horisonten – temperaturvariationer som överstiger orsakshorisonten – stöder förekomsten av en sådan inflationsfas före BigBang, eftersom de inte kan produceras enbart av postinflationär standardfysik.
Dessa insikter lägger grunden för att överväga om exotiska former av materia, såsom mörk materia, kunde ha uppstått under detta intervall.
ArtsiomP/Shutterstock
Mörk materia utgör ungefär 85 % av universums totala massa, men den undviker direkt detektering eftersom den varken avger eller absorberar elektromagnetisk strålning. Dess gravitationspåverkan är dock tydlig i galaktiska rotationskurvor och storskalig strukturbildning.
I en studie från 2024 publicerad i Physical Review Letters , KatherineFreese, GabrieleMontefalcone och BarmakShamsEsHaghi från University of Texas, Austin, introducerade modellen "varm inflation via ultraviolett infrysning" (WIFI). Detta ramverk föreslår att mörk materia producerades under själva inflationsepoken, genom små interaktioner mellan uppblåsningsfältet och ett termiskt bad som genererades av uppblåsningens sönderfall till strålning.
Freese förklarade i ett mediameddelande:"I de flesta modeller späds alla partiklar som skapas under uppblåsning bort av den exponentiella expansionen. WIFI-mekanismen tillåter dock att mörk materia genereras på plats och överlever inflationsutspädningen."
Kvalitet Stock Arts/Shutterstock
Även om WIFI-scenariot är matematiskt intrikat, erbjuder det en övertygande berättelse:mörk materia kunde ha skapats i värmen från det tidiga universum, strax före BigBang, och skulle bestå till denna dag. Dessutom förutsäger modellen en effektivitet i produktionen av mörk materia som överträffar konventionella utfrysningsmekanismer, vilket potentiellt löser spänningar mellan observerad mörk materiadensitet och partikelfysiska förväntningar.
"Förutom mörk materia föreslår WIFI en bredare tillämpbarhet på genereringen av andra relikpartiklar som kan ha spelat en avgörande roll i att forma det tidiga universum," noterade ShamsEsHaghi. "Dessa insikter öppnar nya vägar för både teoretiska undersökningar och experimentella sökningar."
När forskningen fortsätter kan kommande observationer – som de från rymdteleskopet James Webb och nästa generations CMB-experiment – ge de data som behövs för att bekräfta eller motbevisa WIFI-hypotesen, vilket eventuellt kan skriva om vår förståelse av universums första ögonblick.
