simulaciones por computadora muestran que el período de inflación cósmica puede haber sido inmediatamente seguido por una fase dominada por oscilones en el temprano universo.Crédito.Amin, et al. ©2012 American Physical Society.
Los físicos han publicado su trabajo sobre la posibilidad de Oscilones existentes después de la inflación en un número reciente de la revista Physical Review Letters (ver aquí).
Como explican los científicos en su artículo, los Oscilones son excitaciones masivas y de larga duración de un campo escalar que está localizado, es decir, no se disipan como las ondas producidas al dejar caer una piedra en un estanque en calma. En su lugar, un oscilon cambia entre estar en una colina y un cráter alternativamente aumentando por encima y cayéndo por debajo del espacialmente uniforme estado del campo. En experimentos anteriores, los científicos han creado Oscilones por vibración vertical de una placa con una capa suficientemente gruesa de partículas granulares. Siempre que no estén perturbados, los Oscilones continuarán moviéndose arriba y abajo por cientos de miles de oscilaciones.
En el nuevo estudio, los físicos utilizaron simulaciones para investigar los requisitos necesarios para formar Oscilones justo después de la inflación, el período de rápida expansión que se produjo a partir de 10-36 hasta 10-33 segundos después del Big Bang. En una clase de modelos inflacionarios que incluyen algunos modelos inspirados en modelos de cuerdas y supergravedad, los científicos encontraron que la inflación es seguida por una auto-resonancia la cual a su vez genera un gran número de Oscilones.
"Al final de la inflación, el inflatón (el agente responsable de la inflación) estaría oscilando hacia arriba y abajo, en sintonía en todo el universo", dijo el coautor Mustafa Amin del MIT, hablando en representación de los coautores, Richard Easther, Rafael Flauger , y Hal Finkel (de la Universidad de Yale , el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton , y el Laboratorio Nacional Argonne respectivamente), y tambien de Hertzberg Mark de la Universidad de Stanford.
"Sin embargo, este estado sincrónico y homogéneo no se puede mantener por mucho tiempo", explicó. "Es inestable y rápidamente se fragmenta en un estado no homogéneo, grumoso. La rápida transferencia de energía desde el estado sincronizado al grumoso es lo que llamamos auto-resonancia. Nos referimos a ella como la auto-resonancia, porque la energía se transporta desde el estado sincrónico homogéneo a el estado grumoso del campo de la inflación en si misma. Interesantemente, las matemáticas que describen esta transferencia de energía es idéntica a la descripción de un niño impulsándo un columpio. El impulso del niño desempeña el papel del homogéneo inflaton oscilante, mientras que el arco de la oscilación se relaciona con la energía en el estado grumoso. "
Según las simulaciones, los Oscilones en el universo primitivo habrían vivido el tiempo suficiente para que el universo creciera en un factor de 100 o más, bajo el supuesto de que la transferencia de energía a otras partículas es suprimida. Este período puede alterar nuestra visión de cómo se veía el universo entre el final de la inflación y el comienzo del dominio de la radiación.
En el video anterior, las superficies se dibujan cuando la densidad de la inflación es igual a 4x densidad media y 12x densidad media. El tamaño de la caja es una fracción no despreciable del volumen de Hubble al final de la inflación. Producción copiosa de Oscilones al final de la inflación (las gotas esféricas anteriores) mejoran significativamente el espectro de potencia en las escalas sub- horizonte , con potencialmente interesantes consecuencias gravitacionales.Crédito del vídeo: Amin et al.
"En muchos modelos de producción de las partículas después de la inflación, el inflatón rápidamente transfiere su energía a un mar turbulento de partículas intermedias, las que eventualmente decaen en las partículas que conocemos y queremos", dijo Amin. "Nuestro trabajo demuestra que, incluso si la transferencia de energía a otras partículas es suprimida, el inflatón puede fragmentarse rápidamente en localizadas y coherentes estructuras, llamadas Oscilones. Estos Oscilones son tan omnipresentes que pueden dominar la densidad de energía del universo en ese momento, lo cual es sin duda una novedad. En cuanto a la alteración de nuestro cuadro básico de los inicios del universo, la presencia de Oscilones aumenta la grumosidad del universo a pequeña escala a finales de la inflación. Su presencia también podría alterar la forma en que la energía del inflatón finalmente se transfiere a otras partículas, y por cuánto tiempo se tarda en hacerlo. Sin embargo, para hacer declaraciones concretas acerca de esto y su impacto en la astrofísica en general, tenemos que estudiar modelos más realistas, incluyendo muchos más tipos de partículas e interacciones gravitatorias entre Oscilones ".
Amin explicó que, aunque estos Oscilones habrían sido demasiado pequeño para verlos y de muy corta duración, el gran número de ellos les habría permitido tener un impacto significativo en el universo temprano.
"En la clase de modelos que hemos considerado, los Oscilones son más pequeños que el horizonte de Hubble en el momento de la producción", dijo. "El horizonte de Hubble es una medida de la distancia típica que la luz puede viajar mientras que el universo se duplica en tamaño, y puede ser menor que el tamaño de un átomo. Aunque pequeños en comparación con las escalas humanas, los Oscilones son grandes en el sentido siguiente. Los Oscilones pueden ser considerado como una bolsa de un gran número de partículas inflatón. Esta bolsa de partículas individuales puede ser muy pesada en comparación con las partículas más pesadas conocidas. Aunque los números exactos de Oscilones producidos dependerá de los detalles de los modelos utilizados, suficientes de ellos pueden ser producidos para dominar la densidad de energía del universo en ese momento. Sus vidas son una pequeña fracción de un segundo. Sin embargo, incluso en esta pequeña fracción de segundo, el universo duplica su tamaño muchas veces! En lo que a esta duplicación en la escala de tiempo del universo se refiere, ellos viven mucho y pueden tener un fuerte impacto en la dinámica dentro del universo en ese momento. En cuanto a si se mueven al unísono, las simulaciones muestran que la mayoría de los Oscilones no se mueven mucho, una vez que se forman (como hemos mencionado antes, son más bien pesados), y la distancia entre ellos aumenta a medida que el universo se expande. Sin embargo, si la fuerza gravitatoria entre ellos es incluida, ellos podrían agruparse para formar cúmulos de Oscilones ".
Los Oscilones son localizados, son tiempo-periódicos,y son excitaciones de muy larga vida de los campos escalares con interacciones no lineales. La animación de arriba es una rebanada 2D a través del centro de un oscillon. Crédito vídeo: Amin, et al.
Los físicos calculan que un universo dominado por oscilones afectaría a las fluctuaciones de densidad que aparecieron en esa época que más tarde condujeron a la formación de galaxias, estrellas y planetas. Ellos encontraron que los abundantes Oscilones habrían podido aumentar el espectro de frecuencias de las inhomogeneidades iniciales, o espectro de potencia primordial, en escalas muy pequeñas. Esta mejora, a su vez, podría haber posiblemente llevado a nuevos efectos gravitacionales en ese momento.
"Cuando la gravedad es incluida,los Oscilones se atraen entre sí, posiblemente formando estructuras enlazadas y conduciendo a la formación de estructuras no muy diferentes de las que suceden en el universo contemporáneo (con excepción de que esto sucede en una escala de longitud muy pequeña y muy temprano en la historia del universo ) ", dijo Amin. "Además, los Oscilones pueden combinarse, fragmentarse o dispersarse entre sí de forma compleja cuando se acercan los unos a los otros. Otra posibilidad (aún más especulativa) es que algunos de estos objetos podrían combinarse y colapsar para formar agujeros negros primordiales, los cuales podrían rápidamente evaporarse. Todas estas posibilidades se deben seguir trabajando, y nos mantendrán ocupados. "
Agregó que la presencia de Oscilones probablemente no habría tenido ningún efecto sobre las actuales observaciones, ya que los Oscilones existieron en escalas mucho más pequeñas que aquellas que contribuyen a la formación de estructura a gran escala
"No está claro si estos Oscilones primordiales tendrá un efecto hoy", dijo Amin. "No hemos comprendido todas sus implicaciones todavía especialmente cuando otras partículas y la gravedad está incluidas en las simulaciones."
Amin y sus colaboradores, no son los únicos científicos que investigan la posible existencia de Oscilones poco después de la inflación. Otros investigadores, incluidos los de Dartmouth College y la Universidad de Sussex, también han encontrado que los Oscilones se pueden producir fácilmente en los diferentes procesos de inicios del universo. Pero todavía tienen muchas preguntas sin respuesta para investigar.
"Algunos de nosotros estamos trabajando en tratar de entender que tan sólidos estos Oscilones son cuando las partículas nuevas se incluyen en las simulaciones las cuales pueden hacer sangrar la energía de los Oscilones", dijo Amin. "Algunas de las preguntas que nos interesan son: (1) ¿La presencia de Oscilones retrasa la velocidad a la que la inflación transfiere su energía a otras partículas? (2) ¿Cómo se agrupan los Oscilones en presencia de la gravedad? No se constituyen en cúmulos ? Pueden colapsar para formar agujeros negros primordiales? (3) También estamos interesados en estudiar lo que sucede durante la colisión de Oscilones. Estas interacciones serán importantes para comprender el destino final de una colección de Oscilones producidos en el universo primitivo. "
fuente de la información:
http://phys.org/news/2012-07-early-universe-dominated-bobbing.html
