Widok różnic temperatur w kosmicznym tle mikrofalowym, wygenerowanym, gdy galaktyka miała mniej niż 400 000 lat, wykonany na podstawie dziewięciu lat obserwacji z mikrofalowej sondy anizotropowej Wilkinsona (WMAP).
(Zdjęcie: © NASA)
Paul Sutter jest astrofizykiem z Ohio State University i głównym naukowcem w centrum naukowym COSI. Sutter jest także gospodarzem „Ask a Spaceman”, „Space Radio” i prowadzi AstroTours na całym świecie. Sutter wniósł ten artykuł do Ekspertów Kosmicznych Space.com: Op-Ed i Insights.
Model Wielkiego Wybuchu to nasze najbardziej udane wytłumaczenie historii wszechświata, w którym żyjemy, i absurdalnie łatwo jest zawrzeć jego rdzeń w jednym zdaniu, w stylu T-shirtów: Dawno temu nasz wszechświat był o wiele mniejszy. Z tego prostego stwierdzenia wypływają główne testowalne prognozy, które zostały zweryfikowane przez dziesięciolecia obserwacji. Szybkość ekspansji wszechświata. Kosmiczne tło mikrofalowe. Produkcja najlżejszych elementów. Różnice między bliskimi i dalekimi galaktykami. Wszystkie soczyste dowody, które sprawiają, że kosmologia jest nauką.
Ale są pewne problemy. [The Universe: Big Bang to Now w 10 łatwych krokach]
„Waniliowy” model Wielkiego Wybuchu, bez innych dodatków lub poprawek, nie może wyjaśnić wszystkich spostrzeżeń.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Oczy na horyzoncie
Widzimy ogromną ilość surowej przestrzeni. Nasz obserwowalny wszechświat ma średnicę ponad 90 miliardów lat świetlnych. A im dalej patrzymy, tym głębiej patrzymy w przeszłość. Otacza nas kosmiczne tło mikrofalowe, resztkowe światło kopalne uwalniane, gdy wszechświat był zaledwie noworodkiem - miał zaledwie 270 000 lat, a więc ponad 13,8 miliarda lat w przeszłości.
To światło dociera do nas z odległych zakątków kosmosu, tak odległych, że teraz jest dla nas niedostępny. Różne sekcje tego tła światła są dla siebie niedostępne. We wspaniałym żargonie fizyki regiony kosmicznego mikrofalowego tła nie są ze sobą powiązane przyczynowo. Innymi słowy, aby jedna część granic naszego obserwowalnego wszechświata mogła komunikować się z inną częścią w ciągu ostatnich 13,8 miliarda lat, musieliby wysyłać sygnały szybciej niż prędkość światła.
To nie byłoby nic wielkiego, gdyby kosmiczne tło mikrofalowe nie było prawie idealnie gładkie. Wszechświat niemowlęcia miał tę samą temperaturę do jednej części na milion. Jak wszyscy zostali tak dobrze skoordynowani, gdy zmiany w jednym obszarze nie miały wystarczająco dużo czasu, aby wpłynąć na inne?
Prosty i wąski
Jak najlepiej mierzymy, geometria naszego wszechświata wydaje się idealnie, całkowicie, zawsze tak nudno płaska. W dużych, kosmicznych skalach równoległe linie pozostają na zawsze równoległe, kąty wewnętrzne trójkątów sumują się do 180 stopni i tak dalej. Obowiązują wszystkie zasady geometrii euklidesowej, których nauczyłeś się w szkole średniej.
Ale nie ma powód aby nasz wszechświat był płaski. W dużych skalach mógł mieć dowolną starą krzywiznę. Nasz kosmos mógłby być ukształtowany jak wielka, wielowymiarowa piłka plażowa lub siodło do jazdy konnej. Ale nie, wybrał mieszkanie. I nie tylko trochę płaski. Abyśmy nie mogli zmierzyć krzywizny z dokładnością do kilku procent we współczesnym wszechświecie, młody kosmos musiał być płaski do jednej części na milion.
Dlaczego? Spośród wszystkich możliwych opcji krzywizny, czy prawie idealnie płaskie nie wydaje się trochę podejrzane? I rzeczywiście podejrzewamy, że istnieje powód płaskości i nie jest to tylko szczęśliwy rzut kostką.
Tylko jeden biegun
Monopole magnetyczne to bestie teoretyczne; pęknięcia w samej czasoprzestrzeni, które wykazują tylko jeden z biegunów magnetycznych - wyobraź sobie cząsteczkę o biegunach północnych lub południowych wędrującą w swoim samotnym. (W materii, jaką znamy, obiekt z północą magnetyczną również będzie miał magnetyczny południe na drugim końcu.) Według naszych najlepszych modeli niezwykle wczesnego wszechświata (jak w czasach, gdy miał on około 10 ^ -35 sekund, i nie, to nie jest literówka) egzotyczny proces powinien absolutnie zalać nasz kosmos tymi paskudnościami.
Te monopole powinny być tak powszechne, że byłyby normalną częścią naszego codziennego kosmologicznego życia. A jednak nie widzieliśmy dowodów na jeden. Zero. Zilch. Wydaje się, że żadne monopole nie czają się w słonawych wodach ciemnego wszechświata.
Gdzie oni poszli? Powinny być produkowane w obfitości, tak jak nasz wszechświat stawał się interesujący, ale nigdzie nie można ich znaleźć.
Po prostu zrób to duże
Najlepszym rozwiązaniem tych problemów jest proces zwany inflacją. Pomysł został po raz pierwszy zaproponowany - i wymyślony! - przez fizyka Alana Gutha w 1980 roku, gdy zasugerował, że ten sam egzotyczny proces, który zalał wszechświat magnetycznymi monopolami, mógł wprowadzić kosmos w okres niesamowicie szybkiej ekspansji.
Wyobraź sobie, że przelecę ci balon - twoje ciało, wnętrzności, mózg, szkielet, cała sprawa - do wielkości całego naszego obserwowalnego wszechświata. I wyobraź sobie, że zajęło mi to mniej niż 10 ^ -32 sekund. To poważna ekspansja i dokładnie to, co rozumiemy przez inflację. Kiedy nasz wszechświat był niesamowicie młody, zaproponował to Guth nadmuchany do takich gigantycznych łusek w mgnieniu oka.
Dla Gutha była to najczystsza droga do rozwiązania problemu monopoli. Sprawiając, że wszechświat stanie się tak brudny duży, monopole po prostu się rozcieńczają. Nasza obserwowalna plama wszechświata jest tylko jednym małym zakątkiem całego shebang, a jest tam tak dużo objętości, że nie powinniśmy oczekiwać, że kiedykolwiek spotkamy monopolistę.
Ta epoka inflacji rozwiązuje również dwa pozostałe niedociągnięcia waniliowego Wielkiego Wybuchu. Wszechświat przedinflacyjny miał mnóstwo czasu na koordynację i wyrównanie temperatur, po czym wyszedł do znacznie większego stanu, odrzucając raz połączone obszary poza dalszym kontaktem. W tak ogromnym kosmosie nie mogliśmy powstrzymać się od zmierzenia płaskiej geometrii w naszej obserwowalnej łatce. Kogo obchodzi, czym jest krzywizna całego wszechświata - jest tak duży, że wydaje nam się płaski. Ziemia jest zakrzywiona, ale moje podwórko jest ładne i płaskie, ponieważ jest znacznie mniejsze niż powierzchnia naszej planety. Po prostu zastosuj tę samą logikę do skal kosmologicznych, a będziesz złoty.
Mimo to mechanizmy leżące u podstaw inflacji są słabo poznane, a aby można ją uznać za przyzwoitą teorię naukową, nie można po prostu wyjaśnić obecnych obserwacji, ale przewidzieć przyszłe.
I taka będzie historia na kolejny dzień.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Dlaczego potrzebujemy kosmicznej inflacji? (Część 2)” w podcastie Ask a Spaceman, dostępnym w iTunes i na stronie internetowej http://www.askaspaceman.com. Dzięki Massimiliano S., Lorenzo B., @ZachCoty, Pete E., Christian W., @up_raw, Vicki K., Thomas, Banda C., Steve S., Evan W., Andrew P., @MarkRiepe, @ Luft08, @kazoukis, Gordon M., Jim W., Cosmic Wakes, Floren H., Gabi P., Amanda Z. i @scaredjackel za pytania, które doprowadziły do tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom i na Facebooku. Artykuł źródłowy na Space.com.
