Ранняя Вселенная была горячей, плотной и жидкой

Фото из открытых источников

В самые ранние мгновения своего существования Вселенная была горячей и плотной. Плазменное море кварков и глюонов, из которого в конечном итоге образовались водород, гелий и человек. Это раннее космическое состояние иногда называют первородным бульоном, и благодаря новым исследованиям мы теперь знаем, насколько уместен этот термин.

Хотя о раннем Большом взрыве известно давно, понять его полную природу сложно. Часть информации мы можем получить с помощью теоретических расчетов и таких факторов, как соотношение водорода и гелия, но теория имеет свои ограничения. Представьте, что вы пытаетесь определить, находится ли область воды в твердом, жидком или газообразном состоянии, просто используя компьютерное моделирование молекул воды. На Земле нет вещества с плотностью и температурой, аналогичными тем, что были в ранней Вселенной.

Но внутренние структуры атомных ядер близки к этому. Поэтому один из способов изучения ранней Вселенной — это эксперименты в физике элементарных частиц. Недавно группа исследователей из ЦЕРН проводила столкновение тяжелых ионов. Частицы сталкиваются друг с другом почти со скоростью света, создавая кратковременную смесь кварков и глюонов, подобную первородному бульону. Это состояние существует лишь ничтожно малую долю секунды, поэтому ученые не могут наблюдать его непосредственно. Однако они могут наблюдать за каскадом частиц, создаваемым плазменным состоянием. Это похоже на изучение волнового движения на воде, когда брызги разбрызгиваются по берегу.

В этом исследовании группа сосредоточилась на взаимодействии Z-бозонов, которые представляют собой тип частиц-носителей слабого взаимодействия, подобных фотонам в электромагнетизме. Они сравнили наблюдаемые результаты с различными моделями кварк-глюонной плазмы (КГП). Наилучшей моделью оказалась та, в которой плазма является «жидкой».

В действительности они обнаружили свидетельства существования волновых следов в плазменном поле. Если провести рукой по поверхности воды, образуется волновой след. Это происходит потому, что вода — жидкость. Если провести рукой по песку, песчинки движутся, но не создают волн на песке. Обнаружив свидетельства существования волновых следов, команда теперь знает, что частицы, движущиеся в кварк-глюонной плазме, ведут себя подобно камню в воде. Плазма имеет текучное, жидкое поведение.

Знание того, что материя в ранней Вселенной представляла собой густой суп, поможет нам лучше понять её самый ранний момент. Такие явления, как ударные волны, ведут себя по-разному в жидкостях, газах или твёрдых телах, и это может повлиять не только на то, как образовались первые атомы, но и на то, как впервые появились зачатки галактик и чёрных дыр.

В будущих исследованиях команда надеется уточнить более детальные характеристики этих следов, например, скорость их движения в плазме и их размеры. Это позволит им определить основные свойства жидкости, такие как плотность и вязкость. Другими словами, насколько «жидким» был первобытный бульон.