Som Big Bang-teorin säger, någonstans för omkring 13,8 miljarder år sedan exploderade universum, som en oändligt liten, kompakt eldklot av materia som svalnade när det expanderade, utlöste reaktioner som kokade ihop de första stjärnorna och galaxerna, och alla de former av materia som vi ser (och är) idag.

Strax innan Big Bang lanserade universum på sin ständigt växande kurs, fysiker tror, det fanns en annan, mer explosiv fas av det tidiga universum på spel:kosmisk inflation, som varade mindre än en biljondels sekund. Under denna period, materia - en förkylning, homogen goop – blåstes upp exponentiellt snabbt innan processerna från Big Bang tog över för att långsammare expandera och diversifiera spädbarnsuniversumet.

Nyligen genomförda observationer har oberoende stött teorier för både Big Bang och kosmisk inflation. Men de två processerna är så radikalt olika varandra att forskare har kämpat för att föreställa sig hur den ena följde den andra.

Nu fysiker vid MIT, Kenyon College, och på andra håll har simulerat i detalj en mellanliggande fas av det tidiga universum som kan ha överbryggt den kosmiska inflationen med Big Bang. Denna fas, kallas "uppvärmning, " inträffade i slutet av kosmisk inflation och involverade processer som brottades inflationens kyla, enhetlig materia till det ultraheta, komplex soppa som var på plats i början av Big Bang.

"Uppvärmningsperioden efter inflationen skapar förutsättningarna för Big Bang, och i någon mening sätter "bang" i Big Bang, säger David Kaiser, Germeshausen-professorn i vetenskapshistoria och professor i fysik vid MIT. "Det är den här broperioden där helvetet bryter lös och materien beter sig på allt annat än ett enkelt sätt."

Kaiser och hans kollegor simulerade i detalj hur flera former av materia skulle ha interagerat under denna kaotiska period i slutet av inflationen. Deras simuleringar visar att den extrema energin som drev inflationen kunde ha omfördelats lika snabbt, inom en ännu mindre bråkdel av en sekund, och på ett sätt som skapade förutsättningar som skulle ha krävts för starten av Big Bang.

Teamet fann att denna extrema omvandling skulle ha varit ännu snabbare och mer effektiv om kvanteffekter modifierade det sätt som materia reagerade på gravitation vid mycket höga energier, avviker från det sätt Einsteins allmänna relativitetsteori förutsäger materia och tyngdkraften bör interagera.

"Detta gör det möjligt för oss att berätta en obruten historia, från inflation till postinflationsperioden, till Big Bang och bortom, " säger Kaiser. "Vi kan spåra en kontinuerlig uppsättning processer, alla med känd fysik, att säga att detta är ett rimligt sätt på vilket universum kom att se ut som vi ser det idag."

Lagets resultat visas idag Fysiska granskningsbrev . Kaisers medförfattare är huvudförfattaren Rachel Nguyen, och John T. Giblin, båda från Kenyon College, och tidigare MIT-studenten Evangelos Sfakianakis och Jorinde van de Vis, båda vid Leiden University i Nederländerna.

"Synkroniserat med sig själv"

Teorin om kosmisk inflation, föreslog först på 1980-talet av MIT:s Alan Guth, V.F. Weisskopf professor i fysik, förutspår att universum började som en extremt liten materia, möjligen ungefär hundra miljarder av en protons storlek. Den här fläcken var fylld med mycket högenergimaterial, så energisk att trycket inuti genererade en frånstötande gravitationskraft - drivkraften bakom inflationen. Som en gnista till en säkring, denna gravitationskraft exploderade spädbarnsuniversum utåt, i allt snabbare takt, blåsa upp den till nästan en oktiljon gånger sin ursprungliga storlek (det är siffran 1 följt av 26 nollor), på mindre än en biljondels sekund.

Kaiser och hans kollegor försökte ta reda på hur de tidigaste faserna av återuppvärmning - det överbryggningsintervallet i slutet av den kosmiska inflationen och strax före Big Bang - kan ha sett ut.

"De tidigaste faserna av återuppvärmning bör präglas av resonanser. En form av högenergimaterial dominerar, och den skakar fram och tillbaka i synk med sig själv över stora ytor, leder till explosiv produktion av nya partiklar, " säger Kaiser. "Det beteendet kommer inte att vara för evigt, och när den börjar överföra energi till en andra form av materia, dess egna gungor blir hackigare och ojämnare över hela rymden. Vi ville mäta hur lång tid det skulle ta för den resonanseffekten att bryta upp, och för att de producerade partiklarna ska spridas från varandra och komma till någon form av termisk jämvikt, påminner om Big Bang -förhållanden. "

Teamets datorsimuleringar representerar ett stort gitter på vilket de kartlade flera former av materia och spårade hur deras energi och distribution förändrades i rymden och över tiden när forskarna varierade vissa förhållanden. Simuleringens initiala förutsättningar baserades på en viss inflationsmodell – en uppsättning förutsägelser för hur det tidiga universums fördelning av materia kan ha betett sig under kosmisk inflation.

Forskarna valde den här specifika inflationsmodellen framför andra eftersom dess förutsägelser nära överensstämmer med högprecisionsmätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden - en kvarvarande glöd av strålning som sänds ut bara 380, 000 år efter Big Bang, som tros innehålla spår av inflationsperioden.

En universell tweak

Simuleringen spårade beteendet hos två typer av materia som kan ha varit dominerande under inflationen, mycket lik en typ av partikel, Higgs boson, som nyligen observerades i andra experiment.

Innan de kör sina simuleringar, teamet lade till en liten "tweak" till modellens beskrivning av gravitationen. Medan vanlig materia som vi ser idag reagerar på gravitationen precis som Einstein förutspådde i sin allmänna relativitetsteori, materia vid mycket högre energier, som vad som tros ha funnits under kosmisk inflation, borde bete sig lite annorlunda, interagerar med gravitationen på sätt som är modifierade av kvantmekaniken, eller interaktioner på atomär skala.

I Einsteins allmänna relativitetsteori, tyngdkraften representeras som en konstant, med vad fysiker kallar en minimal koppling, betyder att, oavsett energin hos en viss partikel, den kommer att reagera på gravitationseffekter med en styrka som sätts av en universell konstant.

Dock, vid de mycket höga energier som förutsägs i kosmisk inflation, materia interagerar med gravitationen på ett lite mer komplicerat sätt. Kvantmekaniska effekter förutspår att tyngdkraften kan variera i rum och tid när de interagerar med materia med ultrahög energi - ett fenomen som kallas icke-minimal koppling.

Kaiser och hans kollegor inkorporerade en icke-minimal kopplingsterm till sin inflationsmodell och observerade hur fördelningen av materia och energi förändrades när de vände upp eller ner denna kvanteffekt.

Till slut fann de att ju starkare den kvantmodifierade gravitationseffekten var för att påverka materia, ju snabbare universum övergick från kylan, homogen materia i inflationen till den mycket hetare, olika former av materia som är karakteristiska för Big Bang.

Genom att ställa in denna kvanteffekt, de skulle kunna få denna avgörande övergång att ske över 2 till 3 "e-veck, " hänvisar till hur lång tid det tar för universum att (ungefär) tredubblas i storlek. I det här fallet, de lyckades simulera återuppvärmningsfasen inom den tid det tar för universum att tredubblas i storlek två till tre gånger. Som jämförelse, själva inflationen skedde över cirka 60 e-veck.

"Återuppvärmning var en galen tid, när allt gick åt helvete, " säger Kaiser. "Vi visar att materia samverkade så starkt vid den tiden att den kunde slappna av lika snabbt också, vackert sätter scenen för Big Bang. Vi visste inte att det var fallet, men det är vad som kommer fram från dessa simuleringar, alla med känd fysik. Det är det som är spännande för oss. "