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UniverseTenth Edition

Chapter 26

Exploring the Early Universe

Roger Freedman • Robert Geller • William Kaufmann III

26‐1 How the very young universe expanded enormously in a brief instant of time

26‐2 How the fundamental forces of nature and the properties of empty space changed during the first second after the Big Bang

26‐3 How the physics of subatomic particles affected the evolution of the early universe

26‐4 As the early universe expanded and cooled, most of the matter and antimatter annihilated each other

26‐5 Which chemical elements in today’s universe are remnants of the primordial fireball (??? – jh)

26‐6 How the first stars and galaxies formed in the early universe

26‐7 What steps scientists are taking in the quest toward an all encompassing “theory of everything”

By reading this chapter, you will learn

The First Three Minutes

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Planck Epoch• No Physics exists to describe the cosmos previous to 

this time: 10‐43 seconds (unless M‐theory bears out)

• Impossibly high temperatures (1032K), inconceivably 

tiny universe (10‐35m) at the end of this brief epoch 

• All four fundamental forces—strong, weak, 

electromagnetic, and gravity‐–were expressed as 

one.

– Unified by the high energy/temperature into a single force

Particles, the Four Forces and the Standard Model

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Forces Due to Particle Exchange Well, it’s not momentum…

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The CERN Particle Collider

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Discovery of the Higgs Particle

Unification of the Four Forces

Spontaneous Symmetry: High Energy State ‘Rolls Downhill’

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String Theory

• A step towards a ToE or SupergrandUnified Theory

• Stems from the transition from continuum Physics to 

quantum Physics at the turn of the 20th C

• Starting in the ‘80’s the notion arose that strings were 

a better model for the basic constituents of matter

• Feynman diagrams describing Standard Model 

interactions are too convoluted to incorporate these extra 

dimensions

• “Branes” are introduced to explain interactions, but they 

need more dimensions

Dimensions

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Other Dimensions

• Flatland, a Romance in 

Many Dimensions

– Edwin Abbott Abbott, 1885

– A square and his wife in 

Flatland

• An introduction to greater 

dimensions

M‐Theory

• String theory required 9+1 dimensions

• However, this produced 5 equally valid variations! 

Unacceptable!

• A lesser known theory, Supergravity, postulated 10+1 

dimensions

• Merging the two ideas resolved the 5 variations

• However, the addition of the 11thdimension caused the 

strings to weave into Membranes

• A theory of the “trigger”

• Multidimensional Universe or multiverse

• Gravity is the weakest force because it stretches between branes and is diluted

• Intersection of branes initiates a BB

• So time didn’t have to begin with the BB

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Lisa Randall

• Astrophysicist at Harvard

• Leading ‘Brane’ 

proponent

• Warped Passages: 

Unraveling the Universe's 

Hidden Dimensions

• See also David Deutsch, 

Hugh Everett…

How the Universe Got Its Spots

Jenna Levin and others 

propose a more 

topological description of 

cosmology than M Theory

Wearehere

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Inflationary Epoch

• As the name implies, a period of enormous expansion

• The Universe grew from 10‐28 m to 1016 m

• To put this in perspective, think of the size of a proton 

compared to a parsec!

• The Universe cooled, as any expanding system of particles 

would, then reheated shortly after inflation ended.

– The energy used to ‘push’ the Universe outward was released as heat

A Note About Inflation

• Proposed by Alan Guth of MIT in the early 1980s, Inflation does a good job 

of explaining the Universe as we see it today

• During this era the early Universe expanded faster than the speed of light

– Not a violation of SR since nothing is actually moving > c

• It solves the flatness problem, the horizon problem, and the monopole 

problem

– Flatness: why  (total energy density of the universe) is so close to crit

– Horizon: why the CMB varies so little (isotropy)

– Monopoles: N or S magnetic pole w/o the other

• BICEP2 MAY have found Primordial B‐mode polarization

• CMB photons polarized by intense gravitational waves 

rapid inflation at 10‐38s, earlier than thought

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Polarized Light

Polarization of the Cosmic Microwave Background

Where Inflation Comes From

• Current theory holds that a different value of the cosmological constant, inflation , was present during this epoch

• This formed an inflaton field, a type of scalar field– You can think of a scalar field like gravity near the ground—the 

higher you go the more potential for falling fast you have

• Invoking a scalar field is common in theoretical physics, and perfectly legal, but it doesn’t make a theory true. For that, real evidence is required

• And from observation, the Universe is in a period of inflation now, with the current scalar field being dark energy (whatever that is)

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The Observable Universe With and Without Inflation

How Inflation Fixes Flatness

• The Flatness problem: the ratio of the current energy density () of the Universe to the critical density is 1

• Doesn’t seem like much, but when you allow for expansion and run the clock backwards, the ratio differs from 1 (perfectly flat) by one part in 1060!

• Inflation fixes this by essentially flattening all the ‘bumps’ in the Universe, much like inflating a balloon smoothes out all the wrinkles

is currently very close to zero; 0 means flat

Inflation Solves the Flatness Problem

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Horizons: The Isotropy Problem

• Think of a horizon as the furthest distance than can be 

seen for which there is time for light to travel

• If an event happens in one region that would affect 

another region, then there must be sufficient time for 

the effect to travel that distance

– Re: a light cone!

Light Cones

• A way to plot space and time

• It tells you how much information you can have at a certain time, limited by the speed of light

• The x‐y plane represents space and the z axis represents time– Now is 0, past is ‐, future is +

• Not far in the past (white arrow) only nearby events can be known

• Events that happened long ago (gold arrow) can be known even if they were far away

The Isotropy Problem

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Run the clock backwards. It turns out that, given the 

short time scales involved, there was insufficient time for 

energy to travel from one region to another, a necessary 

condition for a near‐uniform temperature

Planck

But why was there variation?

• High temperatures imply uniformity

• Heisenberg’s Uncertainty Principle prohibits absolute uniformity, 

because that means there’d be no limit on detail in data

• Therefore, in a quanta sized early universe there must be Quantum 

Fluctuations 

Particle Epoch• Quarks cool and form more massive particles

– Two up and one down = p+

– Two down and one up = N• Interactions abound

–mN > mp so more p+ than N• Heavy decays to lighter

– 6p+ for 1N • Too hot for nuclei to form• Universe has cooled to 109K by end of era

– The “Freeze Out”; baryons cease to perish in the high temperature

• As for electrons…

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Virtual Pairs: more Heisenberg

Pair Production and Annihilation

Inflation: From Virtual to Real Particles

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Nucleosynthesis Era

• Universe cools to 3000K 

• 1s < 3 min

• Atoms form (ionized):

– N half‐life ~ 15 minutes

– By 3 minutes, 14p for 2N

• Some neutrons had decayed into protons, so p+:N , 6:1 becomes 7:1

• 2p+ + 2N = He

– So out of 16 nucleons, 1 He for 12 H

– Hydrogen, including deuterium (75% by mass)

– Helium (25% by mass)

– Lithium (109 < He)

Nucleosynthesis In the Early Universe

Atom Epoch• 3 min < t < 380,000 years

• Universe cools enough for electrons to attach to atoms

– Down to 18 K by end of era

• Universe becomes transparent, photons free to travel

– The “Last Scattering”

• CMB starts now

– ½  of 1% of radio noise is CMB

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The Growth of Density Fluctuations, the outgrowth of Quantum Fluctuations

Dark Matter/Energy• Horizons and Flatness are inter‐

related

• The geometry of the Universe is 

determined by the amount of 

dark energy

• Left: the scale of the CMB 

fluctuations in the WMAP picture 

indicate curvature

– Open if the fluctuations < 1/2o

– Flat if ~1o, closed if > 1o

• Ultimately determines the fate of 

the Universe

If the Universe is flat, the angle is 1o

If it is curved inward (closed) the angle is > 1o

If it is curved outward (open) the angle is < 1o

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Using Simulations to Constrain the Matter Density of the Universe

These values (the ones I suggested  last PPT you DON’T memorize) can affect the accuracy of our lookback time calculations

A Cold Dark Matter Simulation with Dark Energy

Stelliferous Era

• From about 380,000 years after the Big Bang until now– Galaxies at about 1 billion A.B.B

• Average temp = 3K

• The era of stars, galaxies, and us

• Top down vs. bottom up– Did massive clouds of gas form first, generating the stars (top down) 

or did stars form first, collecting into galaxies (bottom up)?

– Probably a combination• Where gas was dense enough, stars formed first

• Where gas was rarefied, dark galaxies formed, later yielding stars

• Era will continue until the year 100 trillion A.B.B

Youngest object ever imaged @ 800MYr A.B.B 

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The First Stars

“Bottom Up” Galaxy Formation: Observation

“Bottom Up” Galaxy Formation: Simulation

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A Galaxy Under Construction

The Universe at 2 GyrOld

A Timeline of Light in the Universe

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The History of the Universe

Your text was published before the BICEP evidence was in. Alan Guthmay get the Nobel Prize for this if polarization is confirmed

The Future:

• The most likely* outcome will be the open Universe– AKA The Big R.I.P.

• The actual density of the Universe is less than the critical density– /c ~ 1– *Actually too small to ever measure accurately for proper 

prediction• The Universe will expand forever• Three Foreseeable Epochs (after the Stelliferous 

Era):– The Time of Degeneracy: 1014 years– The Time of Black Holes: 1032 years– The Time of Photons: 10100 years

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Key Ideas

• Cosmic Inflation:A brief period of rapid expansion, called 

inflation, is thought to have occurred immediately after the 

Big Bang. During a tiny fraction of a second, the universe 

expanded to a size many times larger than it would have 

reached through its normal expansion rate.

• Inflation explains why the universe is nearly flat and the 

2.725‐K microwave background is almost perfectly isotropic.

Key Ideas

• The Four Forces and Their Unification: Four basic forces— gravity, 

electromagnetism, the strong force, and the weak force— explain all the 

interactions observed in the universe.

• The Standard Model accurately describes all the known particles in nature and 

their observed interactions (except for gravity).

• The weak force and electromagnetic force became unified into a single force called 

the electroweak force at higher energies than those typically found in today’s 

universe. This unification has been observed in high‐energy particle accelerators. 

• Grand unified theories (GUTs) are attempts to explain three of the forces (strong 

force, weak force, and electromagnetic force) in terms of a single force. This has 

not been observed, and particle accelerators fall far short of having the energy to 

directly probe the high energy where this unification is predicted to occur. 

Key Ideas• A supergrand unified theory (AKA Theory of Everything) would explain all 

four forces (including gravity) at extremely high energies as a single force act‐

ing similarly on all the particles in nature. String theory attempts to make this 

unification, and it would describe the quantum nature of gravity. Supergrand

unification is hypothesized to occur before the Planck time (t = 10−43 seconds 

after the Big Bang). 

• Spontaneous Symmetry Breaking: As the universe expands and cools, the 

unified forces break into separate forces. Starting around the Planck time, 

gravity became a distinct force through a spontaneous symmetry breaking. 

During a second spontaneous symmetry breaking, the strong nuclear force 

became a distinct force. A final spontaneous symmetry breaking separated 

the electromagnetic force from the weak nuclear force; from that moment 

on, the uni‐ verse behaved as it does today. 

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Key Ideas• Particles and Antiparticles: Heisenberg’s uncertainty principle states 

that the amount of uncertainty in the mass of a subatomic particle 

increases as it is observed for shorter and shorter time periods.

• Because of the uncertainty principle, particle‐antiparticle pairs can 

spontaneously form and disappear within a fraction of a second. These 

pairs, whose presence can be detected only indirectly, are called virtual 

pairs.

• The collision of two high‐energy photons can produced a real particle‐

antiparticle pair. In this process, called pair production, the photons 

disappear, and their energy is transformed into the masses of the 

particle‐antiparticle pair. In the process of annihilation, a colliding 

particle‐antiparticle pair disappears and two high‐energy photons appear. 

Key Ideas• The Origin of Matter: Just after the inflationary epoch, the 

universe was filled with particles and antiparticles formed from 

numerous high‐energy photons. The particles also 

annihilated to produce a state of thermal equilibrium 

between the particles and the photons. 

• As the universe expanded, its temperature decreased. When the 

temperature fell below the threshold temperature required to 

produce each kind of particle, annihilation of that kind of 

particle began to dominate over production.

Key Ideas

• Nucleosynthesis:Helium could not have been produced until the 

cosmological redshift eliminated most of the high‐energy photons. 

These photons created a deuterium bottleneck by breaking down 

deuterons before they could combine further to form helium.

• Density Fluctuations and the Origin of Stars and Galaxies:The 

large‐scale structure of the universe arose from primordial density 

fluctuations.

• The first stars were much more massive and luminous than stars in the 

present‐day universe. The material that they ejected into space 

seeded the cosmos for all later generations of stars.

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Key Ideas

• Galaxies are generally located on the surfaces of roughly spherical 

voids. Models based on dark energy and cold dark matter give 

good agreement with details of this large‐scale structure.

• The Frontier of Knowledge:The search for a theory that unifies 

gravity with the other fundamental forces suggests that the 

universe actually has 11 dimensions (ten of space and one of time), 

seven of which are folded on themselves so that we cannot see 

them. The fundamental objects in our universe may be very small 

strings, rather than point‐like particles.