Согласно космологической модели Большого взрыва, наша Вселенная началась 13,8 миллиардов лет назад, когда вся материя и энергия в космосе начали расширяться. Считается, что именно этот период «космической инфляции» объясняет крупномасштабную структуру Вселенной и почему пространство и космический микроволновый фон (CMB) кажутся в значительной степени однородными во всех направлениях.
Однако до настоящего времени не было обнаружено никаких доказательств, которые могли бы однозначно доказать сценарий космической инфляции или исключить альтернативные теории. Но благодаря новому исследованию, проведенному группой астрономов из Гарвардского университета и Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), ученые могут получить новое средство для проверки одной из ключевых частей космологической модели Большого взрыва.
Их статья под названием «Уникальные отпечатки альтернатив инфляции в первичном энергетическом спектре» недавно появилась в Интернете и рассматривается для публикации в Письма о физическом обзоре, Исследование было проведено Синган Ченом и Абрахамом Лоебом - старшим преподавателем в Гарвардском университете и соответственно кафедрой астрономии Фрэнка Д. Байрда в Гарвардском университете - и Чжун-Чжи Сянью, аспирантом с физического факультета Гарвардского университета.
Напомним, что в физической космологии теория космической инфляции утверждает, что при 10-36 Через несколько секунд после Большого взрыва сингулярность, в которой сконцентрировалась вся материя и энергия, начала расширяться. Считается, что эта «инфляционная эпоха» продолжалась до 10-33 до 10-32 секунд после Большого взрыва; после чего Вселенная начала расширяться медленнее. В соответствии с этой теорией начальное расширение Вселенной было быстрее скорости света.
Теория, что такая эпоха существовала, полезна для космологов, потому что она помогает объяснить, почему Вселенная имеет почти одинаковые условия в областях, которые очень далеки друг от друга. По сути, если бы космос возник из крошечного объема пространства, который был раздут, чтобы стать больше, чем мы можем наблюдать в настоящее время, это объяснило бы, почему крупномасштабная структура Вселенной является почти однородной и однородной.
Однако это ни в коем случае не является единственным объяснением того, как возникла Вселенная, а способность фальсифицировать любую из них исторически отсутствовала. Как профессор Авраам Лоеб рассказал Space Magazine по электронной почте
«Хотя многие наблюдаемые свойства структур в нашей вселенной согласуются с сценарием инфляции, существует так много моделей инфляции, что трудно фальсифицировать ее. Инфляция также привела к понятию мультивселенной, в которой все, что может произойти, будет происходить бесконечное число раз, и такую теорию невозможно подделать с помощью экспериментов, что является торговой маркой традиционной физики. К настоящему времени существуют конкурирующие сценарии, не связанные с инфляцией, когда вселенная сначала сжимается, а затем отскакивает, а не начинается с Большого взрыва. Эти сценарии могут соответствовать текущим наблюдаемым уровням инфляции ».
Ради своего исследования Леб и его коллеги разработали независимый от модели способ отличить инфляцию от альтернативных сценариев. По сути, они предполагают, что массивные поля в первичной вселенной будут испытывать квантовые флуктуации и возмущения плотности, которые будут непосредственно регистрировать масштаб ранней Вселенной как функцию времени - то есть они будут действовать как своего рода «стандартные часы Вселенной».
Измеряя сигналы, которые, по их прогнозам, будут поступать из этих полей, они предполагают, что космологи смогут определить, были ли внесены какие-либо изменения в плотность во время сжатия или расширения фазы ранней Вселенной. Это фактически позволило бы им исключить альтернативы космической инфляции (например, сценарий «Большого отскока»). Как объяснил Леб:
«В большинстве сценариев естественно иметь огромное поле в ранней вселенной. Возмущения в массивном поле в определенном пространственном масштабе колеблются во времени подобно шару, идущему вверх и вниз в потенциальной яме, где масса определяет частоту колебаний. Но эволюция возмущений также зависит от рассматриваемого пространственного масштаба, а также от фонового масштабного коэффициента (который возрастает экспоненциально при общих моделях инфляции, но уменьшается при сокращении моделей) ».
Эти возмущения, сказал Леб, будут источником любых изменений плотности, наблюдаемых астрономами в Космическом журнале. Как эти вариации были сформированы, можно определить, наблюдая за фоновой вселенной - в частности, расширяется она или сжимается, и астрономы могут различать ее.
«В моей метафоре масштабный коэффициент вселенной влияет на скорость, с которой тянется лента, когда часы оставляют на ней метки», - добавил Леб. «Новый сигнал, который мы предсказываем, запечатлен на том, как уровень неоднородностей во вселенной изменяется с пространственным масштабом».
Короче говоря, Леб и его коллеги определили потенциальный сигнал, который можно измерить с помощью современных приборов. К ним относятся те, которые изучают космический микроволновый фон (CMB) - такие как ESA Планка космическая обсерватория - и те, которые проводили исследования галактик - Sloan Digital Sky Survey, телескоп VLT Survey, телескоп Dragonfly и т. д.
В предыдущих исследованиях было высказано предположение, что вариации плотности в первичной Вселенной могут быть обнаружены путем поиска свидетельств негауссовости, которые являются поправками для оценки функции Гаусса для измерения физической величины - в данном случае CMB. Но, как выразился Леб, их еще предстоит обнаружить:
«Новый колебательный сигнал находится в спектре мощности первичных возмущений плотности (который обычно измеряется по космическому микроволновому фону [CMB] или обзорам галактик), тогда как предыдущие предложения в литературе касались эффектов, связанных с негауссовостью, которые гораздо больше сложно измерить (и пока не обнаружено). Результаты, представленные в нашей статье, очень своевременны, поскольку расширенные наборы данных собираются с помощью новых наблюдений анизотропий CMB и обзоров галактик ».
Понимание того, как началась наша Вселенная, является, пожалуй, самым фундаментальным вопросом в науке и космологии. Если, применяя этот метод, можно исключить альтернативные объяснения того, как возникла Вселенная, это приблизит нас на один шаг к определению происхождения времени, пространства и самой жизни. Вопросы «откуда мы пришли?» и «как все это началось?» может, наконец, получить окончательный ответ!
