A Big Bang kozmológiai modell szerint világegyetemünk 13,8 milliárd évvel ezelőtt kezdődött, amikor a kozmoszban minden anyag és energia kibővült. Úgy gondolják, hogy a „kozmikus infláció” ez az időszak jelenti az univerzum nagyméretű szerkezetét, és miért tűnik az űrnek és a kozmikus mikrohullámú háttérnek (CMB) minden irányban nagyjából egységesnek.
Mindeddig azonban nem fedeztek fel olyan bizonyítékot, amely bizonyosan igazolhatja a kozmikus inflációs forgatókönyvet vagy kizárhatja az alternatív elméleteket. De a Harvard Egyetem és a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ (CfA) csillagászai által készített új tanulmánynak köszönhetően a tudósok új módszerekkel tesztelhetik a Big Bang kozmológiai modell egyik kulcsfontosságú részét.
A „Az infláció alternatíváinak egyedi ujjlenyomata az elsődleges hatalmi spektrumban” című cikkük nemrégiben megjelent online, és a közzétételre készül Fizikai áttekintő levelek. A tanulmányt Xingang Chen és Abraham Loeb - a Harvard Egyetem vezető oktatója, illetve Frank D. Baird A Harvard Egyetem Csillagászati Tanszékének - és Zhong-Zhi Xianyu, a Harvard Egyetem Fizikai Tanszékének posztdoktori ösztöndíjasa végezte.
Összefoglalva: a fizikai kozmológiában a kozmikus infláció elmélete kimondja, hogy 10-kor-36 másodperccel a Nagyrobbanás után a szingularitás, ahol az anyag és az energia koncentrálódott, elkezdte bővülni. Úgy gondolják, hogy ez az „inflációs korszak” 10-ig tartott-33 10-ig-32 másodperc a nagy robbanás után; ezután az Univerzum lassabban terjeszkedett. Ennek az elméletnek megfelelően az Univerzum kezdeti expanziója gyorsabb volt, mint a fénysebesség.
Az az elmélet, hogy egy ilyen korszak létezett, hasznos a kozmológusok számára, mert segít megmagyarázni, hogy az Univerzum miért közel azonos körülmények között helyezkedik el egymástól nagyon távoli régiókban. Alapvetõen, ha a kozmosz egy apró térrészbõl származik, amelyet felfújtak, hogy nagyobbá váljon, mint ahogyan jelenleg megfigyelhetjük, akkor megmagyarázná, hogy az Univerzum nagy léptékû felépítése miért közel egységes és homogén.
Ez azonban egyáltalán nem az egyetlen magyarázat arra, hogy miként jött létre a világegyetem, és történelmileg hiányzott az a képesség, hogy bármelyikét meghamisítsa. Ahogy Abraham Loeb professzor e-mailben mondta a Space Magazine-nak:
„Bár a világegyetemünkben megfigyelt szerkezetek sok megfigyelhető tulajdonsága összhangban van az inflációs forgatókönyvvel, annyi modell létezik az inflációban, hogy nehéz meghamisítani. Az infláció ahhoz a sokoldalúság fogalmához is vezetett, amelyben bármi történõ végtelen számú alkalommal megtörténhet, és egy ilyen elméletet lehetetlen hamisítani a kísérletekkel, ami a hagyományos fizika védjegye. Jelenleg vannak olyan versengő forgatókönyvek, amelyek nem járnak inflációval, amelyekben az univerzum először összehúzódik, majd visszapattan, ahelyett, hogy a Nagyrobbanásból indulna. Ezek a forgatókönyvek megfelelhetnek az infláció jelenlegi megfigyelhetőségének. ”
Tanulmányaik érdekében Loeb és munkatársai modellfüggetlen módon fejlesztették ki az infláció megkülönböztetését az alternatív forgatókönyvektől. Alapvetően azt sugallják, hogy az őslakos világegyetem hatalmas mezői olyan kvantumingadozásokat és sűrűségi zavarokat tapasztalnak meg, amelyek közvetlenül rögzítik a korai világegyetem skáláját az idő függvényében - azaz valamiféle „univerzum normál óraként” működnek.
A jelek mérésével, amelyek előrejelzéseik szerint ezekből a mezőkből származnak, feltételezik, hogy a kozmológusok meg tudják mondani, ha a sűrűség változásait a korai univerzum összehúzódó vagy bővülő szakaszában vetik be. Ez ténylegesen lehetővé tenné számukra, hogy kizárják a kozmikus infláció alternatíváit (például a Big Bounce forgatókönyvet). Amint Loeb kifejtette:
„A legtöbb esetben természetes, hogy hatalmas mező van a korai világegyetemben. Egy adott térbeli skálán a hatalmas mező zavarjai időben oszlanak, mint egy gömb, amely felfelé és lefelé halad egy potenciálkútban, ahol a tömeg diktálja az oszcillációk frekvenciáját. A perturbációk alakulása azonban a vizsgált térbeli skálától, valamint a háttér-skála tényezőtől is függ (amelyek exponenciálisan növekednek az általános inflációs modellek során, de csökkennek a szerződő modellekben). ”
Ezek a perturbációk - mondta Loeb - minden sűrűségváltozás forrását okozzák a csillagászok által a Space Magazine-ban. Az, hogy ezek a variációk hogyan alakultak, a háttér-univerzum megfigyelésével határozható meg - pontosabban az, hogy kiterjed-e vagy összehúzódik-e, amelyeket a csillagászok megkülönböztethetnek.
"Metaforaim szerint a világegyetem méretaránya befolyásolja azt a sebességet, amellyel egy szalagot húznak, mivel az óra jelöléseket hagy rajta" - tette hozzá Loeb. "Az új jel, amelyet várunk, arra nyomtatódik, hogy az univerzumban az egyenetlenségek szintje térbeli skálán változik."
Röviden: Loeb és kollégái azonosítottak egy potenciális jelet, amelyet a jelenlegi eszközökkel lehet mérni. Ide tartoznak azok is, amelyek a kozmikus mikrohullámú hátteret (CMB) tanulmányozzák - mint például az ESA Planck űrmegfigyelő központ - és azok, amelyek galaxis-felméréseket végeztek - a Sloan Digital Sky Survey, a VLT Survey Telescope, a Dragonfly távcső stb.
Korábbi tanulmányokban azt javasolták, hogy az elsődleges univerzumban a sűrűségváltozások kimutathatók a nem-Gaussianitásokra vonatkozó bizonyítékok keresésével, amelyek a fizikai mennyiség mérésére szolgáló Gauss-féle függvénybecslés korrekciói - ebben az esetben a CMB. De amint Loeb állította, ezeket még még fel sem kell fedezni:
„Az új oszcillációs jel az elsődleges sűrűség zavarok spektrumában van (amelyet rutinszerűen mérnek a kozmikus mikrohullámú háttér [CMB] vagy galaxis felmérések alapján), míg az irodalom korábbi javaslatai nem Gaussianitásokkal kapcsolatos hatásokat érintettek, amelyek sokkal több kihívást jelent a mérés (és ezeket még nem fedezték fel). A dolgozatunkban bemutatott eredmények nagyon időszerűek, mivel a kibővített adatkészleteket a CMB anizotrópiáinak új megfigyelései és galaxis-felmérések gyűjtik. ”
A tudomány és a kozmológia talán a legalapvetőbb kérdése annak, hogy megértsük, hogyan kezdődött a világegyetem. Ha ezt a módszert alkalmazzuk, kizárhatjuk az univerzum kezdésének alternatív magyarázatait, ez egy lépéssel közelebb hozza minket az idő, a tér és az élet eredete meghatározásához. A „honnan származunk?” Kérdések és „hogyan kezdődött ez az egész?” Lehet, hogy végleges választ kap!
