En tidigare okänd fasövergång i det tidiga universum

Överväg att få en kastrull med vatten att koka upp: När temperaturen når kokpunkten bildas bubblor i vattnet som spricker och avdunstar när vattnet kokar. Detta fortsätter tills det inte längre finns någon fas av vatten som byter från vätska till ånga.

Det är ganska mycket idén om vad som hände i det allra första universum, precis efter Big Bang, för 13,7 miljarder år sedan.

Idén kommer från partikelfysikerna Martin S. Sloth från Center for Cosmology and Phenomenology of Particle Physics vid Syddanmarks Universitet och Florian Niedermann från Nordiska Institutet för Teoretisk Fysik (NORDITA) i Stockholm. Niedermann är tidigare postdoc i Sloths forskargrupp. I denna nya vetenskapliga artikel presenterar de en ännu starkare grund för sin idé.

Många bubblor kraschar in i varandra

“Du måste föreställa dig att bubblor dök upp på olika ställen i det tidiga universum. De växte sig större och började krascha in i varandra. Till slut uppstod ett komplicerat tillstånd av kolliderande bubblor, som frigjorde energi och så småningom avdunstade”, säger Martin S. sa. Latheten.

Kontexten för deras teori om fasförändringar i ett bubblande universum är ett mycket intressant problem med beräkningen av den så kallade Hubble-konstanten; ett värde för den hastighet med vilken universum expanderar. Sloth och Niedermann tror att det bubblande universum spelar en roll här.

Hubble-konstanten kan beräknas mycket tillförlitligt, till exempel genom att analysera kosmisk bakgrundsstrålning eller genom att mäta hastigheten med vilken en exploderande galax eller stjärna rör sig bort från oss. Enligt Sloth och Niedermann är båda metoderna inte bara tillförlitliga, utan också vetenskapligt erkända. Problemet är att de två metoderna inte leder till samma Hubble-konstant. Fysiker kallar detta problem för “Hubblestension”.

Är det något fel med vår bild av det tidiga universum?

“Inom naturvetenskap måste man kunna uppnå samma resultat med olika metoder, så där har vi ett problem. Varför får vi inte samma resultat när vi är så säkra på båda metoderna?” säger Florian Niedermann.

Sloth och Niedermann tror att de har hittat ett sätt att få samma Hubble-konstant oavsett vilken metod som används. Vägen börjar med en fasövergång och ett bubblande universum – och så är ett tidigt bubblande universum kopplat till “Hubbles spänning”. “Om vi ​​antar att de här metoderna är tillförlitliga – och vi tror att de är det – så är det kanske inte metoderna som är problemet. Vi kanske måste titta på utgångspunkten, basen, på vilken vi Låt oss tillämpa metoderna. Kanske denna grund. är fel.”

En okänd mörk energi

Grunden för metoderna är den så kallade standardmodellen, som antar att det fanns mycket strålning och materia, både normal och mörk, i det tidiga universum, och att dessa var de dominerande energiformerna. Strålning och normal materia komprimerades till ett mörkt, varmt, tätt plasma; universums tillstånd under de första 380 000 åren efter Big Bang.

När du baserar dina beräkningar på Standardmodellen får du olika resultat för hur snabbt universum expanderar, och därför olika Hubble-konstanter.

Men kanske en ny form av mörk energi var i spel i det tidiga universum? Sloth och Niedermann tycker det.

Om du introducerar tanken att en ny form av mörk energi i det tidiga universum plötsligt började bubbla upp och genomgå en fasövergång, stämmer beräkningarna. I sin modell kommer Sloth och Niedermann fram till samma Hubble-konstant med båda mätmetoderna. De kallar denna idé för den nya tidiga mörka energin – NEDE.

Byt från en fas till en annan, som vatten till ånga

Sloth och Niedermann tror att denna nya mörka energi genomgick en fasövergång när universum expanderade, kort innan den övergick från ett tätt, varmt plasmatillstånd till det universum vi känner idag.

“Det betyder att energin sjunker in i primitiva universum har genomgått en fasövergång, precis som vatten kan byta fas mellan gelé, vätska och ånga. Under processen kolliderade energibubblorna så småningom med andra bubblor och släppte energi längs vägen, säger Niedermann.

“Det kunde ha varit allt från en otroligt kort tid – kanske bara den tid det tar två partiklar att kollidera – upp till 300 000 år. Vi vet inte, men det är något vi jobbar på att ta reda på”, tillade Sloth.

Behöver vi ny fysik?

Fasövergångsmodellen bygger alltså på att universum inte beter sig som standardmodellen säger till oss. Det kanske låter lite vetenskapligt galet att antyda att något är fel med vår grundläggande förståelse av universum; att du helt enkelt kan föreslå existensen av tidigare okända krafter eller partiklar för att lösa Hubble-spänningen.

“Men om vi litar på observationer och beräkningar måste vi acceptera att vår nuvarande modell av universum inte kan förklara data, och då måste vi förbättra modellen. Inte genom att förkasta den och dess framgång hittills. , utan att utveckla den och göra den mer detaljerad så att den kan förklara de nya och bättre data,” sa Martin S. Sloth och tillade, “Det verkar som om en fasövergång i mörk energi är det element som saknas i den nuvarande standardmodellen för att förklara de olika måtten på expansionshastigheten av universum.”

Resultaten publiceras i tidskriften Fysik Bokstäver B.