Badanie inflacji kosmologicznej w początkach Wszechświata
W pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu nasz Wszechświat rozszerzał się w zapierającym dech tempie. Aby wyjaśnić tak szybką ekspansję, uczeni opierają się na teorii znanej jako inflacja. Siłą napędzającą inflację było tzw. pole inflacyjne, które ostatecznie osłabło do stanu o niższej energii. Z kolei zawarta w nim energia przekształciła się w cząsteczki, światło i materię, z których w ciągu miliardów lat powstały wszystkie obserwowane dziś galaktyki, gwiazdy i zjawiska kosmiczne. Modele inflacji w fizyce wysokich energii uwzględniają kilka pól inflacyjnych. Sébastien Renaux-Petel (strona w jęz. francuskim), obecnie stypendysta francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS) prowadzący badania w Institut d’Astrophysique de Paris, uprzednio zajmował się badaniem geometrii tych pól i ich wpływu na stabilność inflacji kosmologicznej. Renaux-Petel i jego współpracownicy ustalili, że doszło do geometrycznej destabilizacji inflacji, potencjalnie wpływającej na dokładność wszystkich modeli. Prace te następnie kontynuowali w ramach projektu GEODESI, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, którego celem była analiza tych fundamentalnych procesów geometrycznych u zarania znanego nam Wszechświata. „Niestabilność nie oznacza końca inflacji”, podkreśla Renaux-Petel. „Inflacja wciąż ma miejsce, ale przebiega w nietypowy sposób, który nazywamy bocznym torem inflacji (ang. sidetracked phase of inflation)”.
Inflacja kosmologiczna na bocznym torze
Ta konkretna faza była przedmiotem badania podczas pierwszej części projektu, co pozwoliło zespołowi odkryć nowe mechanizmy generowania inflacji kosmologicznej. W miarę rozszerzania się Wszechświata dochodziło do fluktuacji gęstości i energii, które były źródłem fal wysyłanych w przestrzeń i zmieniających kształt materii. Proste modele inflacji kosmologicznej sugerują, że fale te były zgodne z rozkładem Gaussa – i rozprzestrzeniały się równomiernie. Z kolei coś przeciwnego odkrył zespół projektu. Z jego badań wynika, że inflacja, która zeszła ze swojego normalnego toru, powoduje znaczne odejście od rozkładu Gaussa, a co za tym idzie nowy typ rozkładu. Pozwoliło to poszerzyć naszą wiedzę na temat tych pierwotnych niegaussowskich procesów. „Zainspirowani tym odkryciem, znaleźliśmy nowy mechanizm umożliwiający generowanie pierwotnych czarnych dziur”, zauważa Renaux-Petel.
Badanie ciemnych wieków inflacji
Dzięki temu zespół zdołał zidentyfikować nowe sygnały fal grawitacyjnych – zmarszczki w czasoprzestrzeni, które zawierają informacje na temat początków Wszechświata. Wówczas uczeni zdali sobie sprawę, że tym odkryciem zapoczątkowali nowy obszar w dziedzinie kosmologii, który pozwala im na zbadanie „ciemnych wieków inflacji”, jak dotąd niemożliwych do uchwycenia. Praca ta przyciągnęła uwagę środowiska naukowego, a tymczasem zespół zaangażował się w misję LISA Europejskiej Agencji Kosmicznej, której wystrzelenie zaplanowano na 2035 rok i która po raz pierwszy w historii wyniesie w przestrzeń kosmiczną detektor fal grawitacyjnych. Co więcej, naukowcy opracowali sposób na badanie ciemnych wieków inflacji za pomocą symulacji numerycznych. Dzięki temu narzędziu udało im się odkryć nowe zjawisko znane jako „inflacyjny efekt motyla”, które opisali w artykule opublikowanym na łamach prestiżowego czasopisma „Physical Review Letters”. „Opracowanie to stanowi swego rodzaju przełom w wykorzystywaniu symulacji do badania inflacji”, dodaje uczony.
Przepływ kosmologiczny
Kolejnym ważnym osiągnięciem w projekcie było opracowanie platformy obliczeniowej, która systematycznie określa właściwości statystyczne zmarszczek powstających zgodnie z teoriami wczesnego Wszechświata. Kod ten, nazwany CosmoFlow, pozwolił uczonym na tworzenie teoretycznych przewidywań, które były dotąd poza zasięgiem innych dostępnych technik. Zespół otrzymał nagrodę Buchalter Cosmology Prize 2023 za swoje dokonania, również opisane na łamach „Physical Review Letters”. Kod CosmoFlow został udostępniony z myślą o dalszych badaniach i postępach w tej dziedzinie. „Propagujemy jego szersze wykorzystanie, tak aby stał się narzędziem powszechnie stosowanym przez całą społeczność kosmologów”, zaznacza Renaux-Petel, który w 2024 roku otrzymał za swój wkład w projekt brązowy medal CNRS.
Słowa kluczowe
GEODESI, kosmiczna, inflacja, wszechświat, czarne dziury, kosmologiczny, społeczność