Ada sebuah lubang dalam kisah tentang bagaimana jagat raya kita terbentuk. Pertama, alam semesta mengembang dengan cepat, seperti balon. Kemudian, semuanya menjadi booming.
Tetapi bagaimana kedua periode ini terhubung telah menghindari fisikawan. Sekarang, sebuah studi baru menyarankan cara untuk menghubungkan kedua zaman.
Pada periode pertama, alam semesta tumbuh dari titik yang hampir tak terhingga kecil menjadi hampir satu triliun (yaitu 1 diikuti oleh 27 nol) kali dalam ukuran kurang dari satu triliun detik. Periode inflasi ini diikuti oleh periode ekspansi yang lebih bertahap, tetapi penuh kekerasan, yang kita kenal sebagai Big Bang. Selama Big Bang, bola api yang sangat panas dari partikel-partikel fundamental - seperti proton, neutron, dan elektron - meluas dan mendingin untuk membentuk atom, bintang, dan galaksi yang kita lihat sekarang.
Teori Big Bang, yang menggambarkan inflasi kosmik, tetap menjadi penjelasan yang paling banyak didukung tentang bagaimana alam semesta kita dimulai, namun para ilmuwan masih bingung dengan bagaimana periode ekspansi yang sepenuhnya berbeda ini terhubung. Untuk memecahkan teka-teki kosmik ini, tim peneliti di Kenyon College, Massachusetts Institute of Technology (MIT) dan Leiden University Belanda mensimulasikan transisi kritis antara inflasi kosmik dan Big Bang - periode yang mereka sebut "pemanasan ulang".
"Periode pemanasan ulang pasca-inflasi menetapkan kondisi untuk Big Bang dan, dalam beberapa hal, menempatkan 'bang' dalam Big Bang," David Kaiser, seorang profesor fisika di MIT, mengatakan dalam sebuah pernyataan. "Ini periode jembatan di mana semua neraka terlepas dan materi berperilaku dalam cara yang sederhana."
Ketika alam semesta mengembang dalam sekejap selama inflasi kosmik, semua materi yang ada tersebar, meninggalkan alam semesta sebagai tempat yang dingin dan kosong, tanpa sup panas dari partikel yang dibutuhkan untuk menyalakan Big Bang. Selama periode pemanasan ulang, energi yang mendorong inflasi diyakini membusuk menjadi partikel-partikel, kata Rachel Nguyen, seorang mahasiswa doktoral dalam fisika di University of Illinois dan penulis utama studi tersebut.
"Begitu partikel-partikel itu diproduksi, mereka terpental dan saling bertabrakan, mentransfer momentum dan energi," kata Nguyen kepada Live Science. "Dan itulah yang memanaskan dan memanaskan kembali alam semesta untuk menetapkan kondisi awal bagi Big Bang."
Dalam model mereka, Nguyen dan koleganya mensimulasikan perilaku bentuk materi eksotis yang disebut inflatons. Para ilmuwan berpikir partikel-partikel hipotetis ini, yang sifatnya mirip dengan boson Higgs, menciptakan medan energi yang mendorong inflasi kosmik. Model mereka menunjukkan bahwa, di bawah kondisi yang tepat, energi inflaton dapat didistribusikan kembali secara efisien untuk menciptakan keragaman partikel yang diperlukan untuk memanaskan kembali alam semesta. Mereka menerbitkan hasilnya pada 24 Oktober di jurnal Physical Review Letters.
Sebuah wadah untuk fisika energi tinggi
"Ketika kita mempelajari alam semesta awal, apa yang sebenarnya kita lakukan adalah eksperimen partikel pada suhu yang sangat, sangat tinggi," kata Tom Giblin, seorang profesor fisika di Kenyon College di Ohio dan rekan penulis penelitian. "Transisi dari periode inflasi dingin ke periode panas adalah sesuatu yang harus memiliki beberapa bukti kunci mengenai partikel apa yang benar-benar ada pada energi yang sangat tinggi ini."
Satu pertanyaan mendasar yang menjangkiti fisikawan adalah bagaimana gravitasi berperilaku pada energi ekstrim yang ada selama inflasi. Dalam teori relativitas umum Albert Einstein, semua materi diyakini dipengaruhi oleh gravitasi dengan cara yang sama, di mana kekuatan gravitasi adalah konstan terlepas dari energi partikel. Namun, karena dunia aneh mekanika kuantum, para ilmuwan berpikir bahwa, pada energi yang sangat tinggi, materi merespons gravitasi secara berbeda.
Tim memasukkan asumsi ini dalam model mereka dengan mengutak-atik seberapa kuat partikel berinteraksi dengan gravitasi. Mereka menemukan bahwa semakin mereka meningkatkan kekuatan gravitasi, semakin efisien inflaton mentransfer energi untuk menghasilkan kebun binatang partikel materi panas yang ditemukan selama Big Bang.
Sekarang, mereka perlu menemukan bukti untuk menopang model mereka di suatu tempat di alam semesta.
"Alam semesta menyimpan begitu banyak rahasia yang dikodekan dengan cara yang sangat rumit," kata Giblin kepada Live Science. "Adalah tugas kita untuk belajar tentang sifat realitas dengan membuat alat decoding - cara untuk mengekstrak informasi dari alam semesta. Kami menggunakan simulasi untuk membuat prediksi tentang seperti apa jagat raya sehingga kita dapat mulai mendekodekannya. Periode pemanasan ulang ini seharusnya meninggalkan jejak di suatu tempat di alam semesta. Kita hanya perlu menemukannya. "
Tetapi menemukan jejak itu bisa rumit. Sekilas kita tentang alam semesta adalah gelembung radiasi yang tersisa dari beberapa ratus ribu tahun setelah Ledakan Besar, yang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB). Namun CMB hanya mengisyaratkan keadaan alam semesta selama detik-detik kritis pertama kelahiran. Fisikawan seperti Giblin berharap pengamatan gelombang gravitasi di masa depan akan memberikan petunjuk terakhir.
