Według modelu kosmologicznego Wielkiego Wybuchu nasz Wszechświat rozpoczął się 13,8 miliarda lat temu, kiedy cała materia i energia w kosmosie zaczęły się rozszerzać. Uważa się, że ten okres „kosmicznej inflacji” odpowiada za wielkoskalową strukturę Wszechświata i dlaczego przestrzeń i kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) wydają się w dużej mierze jednolite we wszystkich kierunkach.
Jednak do tej pory nie znaleziono dowodów, które mogłyby zdecydowanie udowodnić kosmiczny scenariusz inflacyjny lub wykluczyć alternatywne teorie. Ale dzięki nowym badaniom zespołu astronomów z Harvard University i Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) naukowcy mogą mieć nowe metody testowania jednej z kluczowych części modelu kosmologicznego Wielkiego Wybuchu.
Ich artykuł zatytułowany „Unikalne odciski palców alternatyw dla inflacji w pierwotnym spektrum mocy” ukazał się niedawno w Internecie i jest rozważany do publikacji w Listy z przeglądu fizycznego. Badanie zostało przeprowadzone odpowiednio przez Xinganga Chena i Abrahama Loeba - starszego wykładowcę na Uniwersytecie Harvarda i Franka D. Bairda na Katedrze Astronomii na Uniwersytecie Harvarda - oraz Zhong-Zhi Xianyu, doktora habilitowanego na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Harvarda.
Reasumując, w kosmologii fizycznej teoria kosmicznej inflacji stwierdza, że na 10-36 kilka sekund po Wielkim Wybuchu osobliwość, w której skoncentrowana była cała materia i energia, zaczęła się rozszerzać. Uważa się, że ta „epoka inflacyjna” trwała do 10 lat-33 do 10-32 sekund po Wielkim Wybuchu; po czym Wszechświat zaczął się rozszerzać wolniej. Zgodnie z tą teorią początkowa ekspansja Wszechświata była szybsza niż prędkość światła.
Teoria o istnieniu takiej epoki jest przydatna dla kosmologów, ponieważ pomaga wyjaśnić, dlaczego Wszechświat ma prawie takie same warunki w regionach, które są bardzo od siebie oddalone. Zasadniczo, gdyby kosmos powstał z niewielkiej objętości przestrzeni, która została nadmuchana, aby stać się większa niż obecnie, możemy wyjaśnić, dlaczego wielkoskalowa struktura Wszechświata jest prawie jednolita i jednorodna.
Nie jest to jednak jedyne wyjaśnienie tego, jak powstał wszechświat, a historycznie brakowało możliwości fałszowania któregokolwiek z nich. Jak profesor Abraham Loeb powiedział Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Chociaż wiele zaobserwowanych właściwości struktur w naszym wszechświecie jest zgodnych ze scenariuszem inflacji, istnieje tyle modeli inflacji, że trudno jest ją sfałszować. Inflacja doprowadziła również do pojęcia wieloświata, w którym wszystko, co może się zdarzyć, wydarzy się nieskończoną liczbę razy, a takiej teorii nie da się sfalsyfikować za pomocą eksperymentów, które są znakiem rozpoznawczym tradycyjnej fizyki. Do tej pory istnieją konkurencyjne scenariusze, które nie wiążą się z inflacją, w której wszechświat najpierw kurczy się, a następnie odbija zamiast zaczynać od Wielkiego Wybuchu. Te scenariusze mogą odpowiadać obecnym obserwowalnym wskaźnikom inflacji. ”
Na potrzeby swoich badań Loeb i jego koledzy opracowali niezależny od modelu sposób odróżnienia inflacji od alternatywnych scenariuszy. Zasadniczo sugerują oni, że ogromne pola we pierwotnym wszechświecie doświadczyłyby fluktuacji kwantowych i zaburzeń gęstości, które bezpośrednio rejestrowałyby skalę wczesnego Wszechświata w funkcji czasu - tj. Działałyby one jako rodzaj „standardowego zegara Wszechświata”.
Mierząc sygnały, które, jak przewidują, będą pochodzić z tych pól, postawili hipotezę, że kosmolodzy byliby w stanie stwierdzić, czy jakiekolwiek zmiany gęstości zostały zaszczepione podczas kurczącej się, czy rozszerzającej się fazy wczesnego Wszechświata. To skutecznie pozwoliłoby im wykluczyć alternatywy dla kosmicznej inflacji (takie jak scenariusz Big Bounce). Jak wyjaśnił Loeb:
„W większości scenariuszy naturalne jest posiadanie ogromnego pola we wczesnym wszechświecie. Zaburzenia w masywnym polu w określonej skali przestrzennej oscylują w czasie, jak piłka poruszająca się w górę i w dół w potencjalnej studni, gdzie masa dyktuje częstotliwość drgań. Jednak ewolucja zaburzeń zależy również od rozważanej skali przestrzennej, a także od współczynnika skali tła (który rośnie wykładniczo podczas ogólnych modeli inflacji, ale zmniejsza się w modelach kurczących się). ”
Te zaburzenia, powiedział Loeb, będą źródłem wszelkich zmian gęstości obserwowanych przez astronomów w Space Magazine. Sposób kształtowania się tych wariacji można określić, obserwując wszechświat tła - a konkretnie to, czy rozszerza się, czy kurczy, a astronomowie mogą to odróżnić.
„Według mojej metafory współczynnik skali wszechświata wpływa na szybkość, z jaką taśma jest ciągnięta, gdy zegar pozostawia na nim znaczniki”, dodał Loeb. „Nowy przewidywany sygnał odcisnął się na tym, jak zmienia się poziom niejednorodności we wszechświecie wraz ze skalą przestrzenną.”
Krótko mówiąc, Loeb i jego koledzy zidentyfikowali potencjalny sygnał, który można zmierzyć za pomocą aktualnych instrumentów. Należą do nich te, które badają kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) - takie jak ESA Planck obserwatorium kosmiczne - i te, które przeprowadzały badania galaktyk - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, Dragonfly teleskop itp.
W poprzednich badaniach zasugerowano, że zmiany gęstości w pierwotnym Wszechświecie można wykryć, szukając dowodów niegaussowskich, które są poprawkami do oszacowania funkcji Gaussa do pomiaru wielkości fizycznej - w tym przypadku CMB. Ale, jak to ujął Loeb, jeszcze ich nie wykryto:
„Nowy sygnał oscylacyjny znajduje się w spektrum mocy pierwotnych zaburzeń gęstości (co jest rutynowo mierzone na podstawie kosmicznego mikrofalowego tła [CMB] lub badań galaktyk), podczas gdy wcześniejsze sugestie w literaturze dotyczyły efektów związanych z niegaussowskimi, które są znacznie więcej trudne do zmierzenia (i jak dotąd nie zostały wykryte). Wyniki przedstawione w naszym artykule są bardzo aktualne, ponieważ poszerzone zestawy danych są gromadzone na podstawie nowych obserwacji anizotropii CMB i badań galaktyk. ”
Zrozumienie, jak powstał nasz Wszechświat, jest być może najbardziej fundamentalnymi pytaniami w nauce i kosmologii. Jeśli stosując tę metodę, można wykluczyć alternatywne wyjaśnienia, jak powstał wszechświat, przybliży nas to o krok do ustalenia źródeł czasu, przestrzeni i samego życia. Pytania „skąd pochodzimy?” i „jak to się wszystko zaczęło?” może w końcu mieć ostateczną odpowiedź!
