Відповідно до космологічної моделі Великого вибуху, наша Всесвіт почалася 13,8 мільярда років тому, коли вся матерія та енергія в Космосі почали розширюватися. Вважається, що цей період "космічної інфляції" є тим, що пояснює масштабну структуру Всесвіту, і чому космос і космічний мікрохвильовий фон (СМВ) в основному є однаковими у всіх напрямках.
Однак на сьогоднішній день не знайдено жодних доказів, які б напевно могли довести сценарій космічної інфляції або виключити альтернативні теорії. Але завдяки новому дослідженню групи астрономів з Гарвардського університету та Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (CfA), вчені можуть отримати новий засіб тестування однієї з ключових частин космологічної моделі Великого вибуху.
Їх праця під назвою "Унікальні відбитки пальців альтернативи інфляції в первинному енергетичному спектрі" нещодавно з'явилася в Інтернеті і розглядається для публікації в Листи з фізичного огляду. Дослідження проводили Сінганг Чен та Авраам Льоб - старший викладач Гарвардського університету та кафедра астрономії Франка Д. Берда Гарвардського університету відповідно - та Чжун Чжи Сянью, докторантура кафедри фізики Гарвардського університету.
Якщо сказати, у фізичній космології теорія космічної інфляції говорить про те, що в 10-36 секунди після Великого вибуху сингулярність, де зосереджена вся матерія та енергія, почала розширюватися. Вважається, що ця "інфляційна епоха" тривала до 10 років-33 до 10-32 секунди після Великого вибуху; після чого Всесвіт почала розширюватися повільніше. Відповідно до цієї теорії, початкове розширення Всесвіту було швидше, ніж швидкість світла.
Теорія про існування такої епохи корисна для космологів, оскільки допомагає пояснити, чому Всесвіт має майже однакові умови в регіонах, дуже віддалених один від одного. В основному, якби космос виник із крихітного об'єму простору, який був надутий і став більшим, ніж ми можемо спостерігати в даний час, це пояснило б, чому масштабна структура Всесвіту майже рівномірна і однорідна.
Однак це далеко не єдине пояснення того, як виник Всесвіт, а можливості фальсифікувати будь-яку з них історично бракувало. Як розповів професор Абрахам Лоб електронному журналу Space Magazine:
"Хоча багато спостережуваних властивостей структур у нашому Всесвіті відповідають сценарію інфляції, існує так багато моделей інфляції, що їх важко підробити. Інфляція також призвела до поняття мультиварки, в якому все, що може статися, відбуватиметься нескінченно багато разів, і таку теорію неможливо сфальсифікувати за допомогою експериментів, що є торговою маркою традиційної фізики. На сьогоднішній день існують конкуруючі сценарії, які не передбачають інфляцію, коли всесвіт спочатку стискається, а потім відскакує, а не починає з Великого вибуху. Ці сценарії можуть відповідати поточним показникам інфляції ».
Заради свого дослідження Лоб та його колеги розробили незалежний від моделі спосіб відрізнити інфляцію від альтернативних сценаріїв. По суті, вони пропонують, щоб масивні поля у первісному Всесвіті відчували квантові коливання та збурення щільності, які безпосередньо записували б масштаб раннього Всесвіту як функцію часу - тобто вони діяли б як своєрідний «стандартний годинник Всесвіту».
Виміряючи сигнали, за якими вони прогнозують, що надходитимуть з цих полів, вони висувають гіпотезу, що космологи зможуть визначити, чи були засіяні будь-які зміни щільності під час стиснення або розширення фази раннього Всесвіту. Це фактично дозволить їм виключити альтернативи космічній інфляції (наприклад, сценарій великого відмов). Як пояснив Лоб:
«У більшості сценаріїв природно мати масивне поле у ранньому Всесвіті. Збурення в масивному полі в певному просторовому масштабі коливаються в часі, як куля, що йде вгору і вниз в потенційну свердловину, де маса диктує частоту коливань. Але еволюція збурень також залежить від розглянутої просторової шкали, а також від коефіцієнта фонового масштабу (який зростає експоненціально під час загальних моделей інфляції, але зменшується в моделях, що стискаються).
Ці збурення, за словами Лоба, будуть джерелом будь-яких змін щільності, що спостерігаються астрономами у космічному журналі. Як формувались ці варіації, можна визначити, спостерігаючи за фоном Всесвіту, зокрема, розширюється він чи стискається, що астрономи можуть розрізняти.
"У моїй метафорі коефіцієнт масштабу Всесвіту впливає на швидкість, з якою тягне стрічку, коли годинник залишає на ній галочки", - додав Леб. "Новий сигнал, який ми прогнозуємо, відбився на тому, як змінюється рівень нерівномірності у Всесвіті з просторовою шкалою".
Коротше кажучи, Лоб та його колеги визначили потенційний сигнал, який можна виміряти за допомогою поточних приладів. До них відносяться ті, хто вивчає космічний мікрохвильовий фон (CMB) - наприклад, ESA Планк космічна обсерваторія - і ті, що проводили галактичні обстеження - опитування цифрового неба Sloan, телескоп обстеження VLT, телескоп Dragonfly тощо.
У попередніх дослідженнях було висловлено припущення, що зміни щільності у первісному Всесвіті можна було б виявити, шукаючи докази не гауссіанства, що є поправками для оцінки функції Гаусса для вимірювання фізичної величини - у цьому випадку КМБ. Але, як сказав Лоб, їх ще не потрібно виявити:
"Новий коливальний сигнал знаходиться в спектрі потужностей збурень первинної щільності (що звичайно вимірюється за допомогою космічного мікрохвильового фону [CMB] або галактичних обстежень), тоді як попередні пропозиції в літературі стосувалися ефектів, пов'язаних з неауссіанствами, які набагато більше складний для вимірювання (та ще не був виявлений). Результати, представлені в нашій роботі, є дуже своєчасними, оскільки розширені набори даних збираються за допомогою нових спостережень за анізотропією СМБ та обстеженнями галактик ».
Розуміння того, як розпочався наш Всесвіт - це, мабуть, найбільш фундаментальні питання науки та космології. Якщо за допомогою цього методу можна виключити альтернативні пояснення того, як почався Всесвіт, це наблизить нас на крок до визначення джерел часу, простору та самого життя. Питання "звідки ми беремося?" і "як все почалося?" може, нарешті, мати остаточну відповідь!
