Fizicienii au reprodus un model asemănător radiaţiei cosmice de fond printr-o simulare de laborator a Big Bang-ului, utilizând atomi de cesiu ultrarăciţi, aflaţi într-o cameră de vid din cadrul University of Chicago.
„Este pentru prima dată când un experiment ca acesta a reuşit simularea evoluţiei structurilor cosmice aflate în Universul timpuriu", a spus Cheng Chin, profesor de fizică. Chin şi colegii săi au comunicat realizarea lor în ediţia din data de 1 august a revistei Science Express şi aceasta va apărea, în curând, în ediţia tipărită a revistei.
Profesorul Cheng Chin şi colegii săi din cadrul University of Chicago au simulat temperaturile extrem de mari care au urmat momentului Big Bang într-o cameră de vid ultrarăcită din laboratorul lor, aflat la subsolul centrului de cercetare Gordon Center for Integrative Science. Credit: Jason Smith.
Chin a realizat cercetarea împreună cu conducătorul şi autorul principal al proiectului, Chen-Lung Hung, aflat acum la Institute of Technology din California și Victor Gurarie de la University of Colorado, Boulder. Scopul lor a fost de a valorifica potenţialul atomilor ultrarăciţi în vederea simulării Big Bang-ului şi pentru a înţelege mai bine modul prin care au evoluat structurile cosmice din Universul timpuriu.
Radiaţia cosmică de fond este un ecou al Big Bang-ului. Măsurătorile detaliate ale CMB (Cosmic Microwave Background) provin de la Cosmic Background Explorer (COBE), un satelit ce a explorat radiaţia cosmică de fond în anii 1990 şi, mai târziu, de la sonda spaţială Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ((WMAP). De asemenea, radiaţia cosmică de fond a fost măsurată şi cu ajutorul mai multor observatoare terestre, inclusiv prin colaborarea dintre University of Colorado şi South Pole Telescope. Toate aceste instrumente de măsură au furnizat cosmologilor o imagine a modului în care arată Universul cu aproximativ 380.000 de ani după momentul Big Bang, cel care a marcat începutul Universului.
Se pare că, în anumite condiţii, un nor de atomi răciţi până la o temperatură de o miliardime dintr-un grad peste zero absolut (-459.67 grade Fahrenheit), aflaţi într-o cameră de vid, prezintă fenomene similare cu cele care s-au produs în urma Big Bang-ului, a spus Hung.
„La această temperatură extrem de scăzută, atomii se excită într-un mod colectiv. Ei se comportă similar undelor sonore ce se propagă prin aer", a spus el. Concentraţia de materie şi radiaţie care a existat în Universul timpuriu a generat excitaţii similare celor de tipul undelor sonore, după cum au arătat măsurătorile efectuate de COBE, WMAP şi alte experimente.
Generarea sincronizată a undelor sonore se potriveşte cu ipotezele cosmologice cu privire la procesul de inflaţie care se crede că a existat la începutul Universului. „Inflaţia a stabilit condiţiile iniţiale pentru ca Universul timpuriu să poată crea unde sonore similare în fluidul cosmic, format din materie și radiaţie", a spus Hung.
Imaginea din stânga arată densitatea atomilor de la începutul unui experiment ce simulează evoluţia Universului, după momentul Big Bang. Culoarea roşie, ce predomină în această imagine, indică densitatea mai mare a atomilor ultrarăciţi, aflaţi în zona centrală a unei camere de vid, la începutul experimentului. Secţiunea norului roşu, compus din atomi, măsoară aproximativ 10 microni pe 10 microni, mai mic decât diametrul unui fir de păr uman. După optzeci de milisecunde de la simularea momentului Big Bang, atomii devin mult mai puţin concentraţi în camera de vid experimentală, aşa cum se observă în imaginea din dreapta, prin schimbarea de culoare a imaginii densităţii acestora, de la roşu la galben, verde, albastru şi violet. Credit: Chen-Lung Hung.
Ecoul Big Bang-ului
Expansiunea bruscă a Universului din timpul perioadei sale de inflaţie a creat valuri în spaţiul-timp cosmic ca un ecou al momentului Big Bang. Cineva poate crede că Big Bang-ul, în forma sa simplificată, a generat undele sonore în urma unei explozii, a spus Chin. Undele de sunet au început apoi să interfereze, creând tpare complicate. „Aceste modele reprezintă originea structurilor complexe pe care le vedem în Univers", a spus el.
Aceste excitaţii sonore sunt denumite oscilaţii acustice Saharov, după numele fizicianul rus Andrei Saharov, cel care a descris fenomenul în anii 1960. Pentru a produce oscilaţii Saharov, echipa condusă de Chin a răcit un nor plat, neted, compus din 10.000 de atomi de cesiu la o temperatură de o miliardime dintr-un grad peste zero absolut, creând o stare exotică a materiei cunoscută sub numele de superfluid atomic bidimensional.
Cercetătorii au iniţiat în continuare un proces prin care se putea varia, în mod controlat, intensitatea interacţiunilor dintre atomii din nor. Ei au descoperit că prin obţinerea unor interacţiuni mai slabe sau mai puternice între atomi, ei pot genera oscilaţii Saharov.
Universul simulat în laboratorul lui Chin măsoară nu mai mult de 70 de microni în diametru, care este diametrul aproximativ al unui fir de păr uman. „În acest fel se dovedeşte că acelaşi tip de fizică se poate aplica la scări dimensionale foarte diferite", a explicat Chin. „Aceasta este puterea fizicii".
Scopul cercetătorilor este de a înţelege mai bine evoluţia cosmică a Universului timpuriu, cel care a existat la scurt timp după momentul Big Bang. Acesta a fost mult mai mic decât este în prezent, având un diametru de doar o sută de mii de ani-lumină atunci când a generat modelul CMB pe care cosmologii îl observă pe cer în prezent.
În cele din urmă, ceea ce contează nu este mărimea absolută a Universului simulat sau a celui real, dar raportul dintre dimensiunile lor caracteristice influenţează fizica oscilaţiilor Saharov. „Aici, desigur, noi am extrapolat această analogie la extrem", a spus Chin.
380.000 ani în comparaţie cu 10 milisecunde
„Universul a avut nevoie de aproximativ 380.000 de ani pentru a evolua în forma spectrului CMB pe care îl analizăm acum", a spus Chin. Cu toate acestea, fizicienii au fost capabili, în prezent, să reproducă acelaşi model în aproximativ 10 milisecunde, în cadrul experimentul lor. „Aceasta arată de ce simularea bazată pe atomii reci poate fi un instrument puternic de cercetare", a spus Chin.
Oamenii de ştiinţă au creat această imagine detaliată a Universului timpuriu după nouă ani de analiză a datelor obţinute de către Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Imaginea prezintă fluctuaţiile de temperatură de acum 13.77 miliarde de ani, prin diferenţele de culoare care corespund germenilor care au crescut pentru a deveni galaxiile din prezent. Fizicienii utilizează acum nori de atomi ultrarăciţi, aflaţi într-o cameră de vid, pentru a simula procesul de dezvoltare a structurilor cosmice din Universul timpuriu. Credit: NASA/WMAP Science Team.
Cercetătorii implicaţi în acest proiect nu sunt cosmologi, dar ei au consultat mai mulţi specialişti în procesul realizării experimentului lor şi pentru interpretarea rezultatelor obţinute. La expertiza experimentului au participat Wayne Hu, John Carlstrom şi Michael Turner, din partea University of Chicago şi Chao-Lin Kuo din partea Stanford University.
Hung a remarcat faptul că oscilaţiile Saharov reprezintă un instrument excelent pentru cercetarea proprietăţilor fluidului cosmic din Universul timpuriu. „Suntem în căutarea unui superfluid bidimensional, care este un obiect foarte interesant. Intenţionăm să utilizăm aceste oscilaţii Saharov pentru a studia proprietăţile acestui superfluid bidimensional în condiţii iniţiale diferite, pentru a obţine mai multe informaţii".
Echipa de cercetare variază condiţiile care au existat în etapa de început a istoriei expansiunii universului lor simulat, prin schimbarea rapidă a intensităţii interacţiunilor dintre atomii ultrarăciţi şi care generează undele Saharov. „Aceste unde se propagă apoi şi creează multe fluctuaţii", a spus Hung. El şi colegii săi vor examina în continuare sunetul acestor fluctuaţii.
Astăzi harta radiaţiei cosmice de fond prezintă un instantaneu al modului prin care Universul a apărut la un moment dat, cu mult timp în urmă. „Privind harta CMB, noi nu vedem, într-adevăr, ceea ce s-a întâmplat înainte de un anumit moment şi nici nu vom vedea ce s-a întâmplat după aceea", a spus Chin. Dar, Hung remarcă: „Prin simularea noastră noi putem monitoriza întreaga evoluţie a oscilaţiilor Saharov".
Chin şi Hung sunt interesaţi să continue această direcţie experimentală, prin utilizarea atomilor ultrarăciţi în cadrul altor domenii ale fizicii, inclusiv în vederea simulării formării galaxiilor sau chiar în ceea ce priveşte dinamica găurilor negre.
„Noi putem utiliza, în mod potenţial, atomii pentru a simula şi a înţelege mai bine multe fenomene interesante din natură", a spus Chin. „Atomii pot fi, pentru noi, orice ne dorim să fie".
Traducere de Cristian-George Podariu după ultracold-big-successfully-simulates-evolution cu acordul editorului
