Podle kosmologického modelu Velkého třesku začal náš vesmír před 13,8 miliardami let, kdy se veškerá hmota a energie ve vesmíru začala rozšiřovat. Toto období „kosmické inflace“ je považováno za to, co odpovídá za rozsáhlou strukturu vesmíru a proč se vesmír a kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) jeví ve všech směrech do značné míry uniformní.
Dosud však nebyly objeveny žádné důkazy, které by jednoznačně dokázaly scénář kosmické inflace nebo vyloučily alternativní teorie. Ale díky nové studii týmu astronomů z Harvardské univerzity a Harvard-Smithsonianova centra pro astrofyziku (CfA) mohou mít vědci nové prostředky k testování jedné z klíčových částí kosmologického modelu Velkého třesku.
Jejich příspěvek s názvem „Unikátní otisky prstů alternativ k inflaci v prvotním energetickém spektru“ se nedávno objevil online a zvažuje se jeho zveřejnění v Dopisy fyzické kontroly. Studii provedli Xingang Chen a Abraham Loeb - vedoucí lektor na Harvardské univerzitě a Frank D. Baird, předseda astronomie na Harvardské univerzitě, respektive Zhong-Zhi Xianyu, postdoktorand na Katedře fyziky na Harvardské univerzitě.
Abychom rekapitulovali, ve fyzikální kosmologii, teorie kosmické inflace uvádí, že na 10-36 vteřiny po Velkém třesku se začala rozšiřovat singularita, ve které byla soustředěna veškerá hmota a energie. Předpokládá se, že tato „inflační epocha“ trvala do 10-33 do 10-32 vteřiny po Velkém třesku; po kterém se vesmír začal rozšiřovat pomaleji. V souladu s touto teorií byla počáteční expanze vesmíru rychlejší než rychlost světla.
Teorie, že taková epocha existovala, je užitečná pro kosmology, protože pomáhá vysvětlit, proč má vesmír téměř stejné podmínky v regionech, které jsou od sebe velmi vzdálené. V zásadě, kdyby vesmír vznikl z malého objemu prostoru, který byl nafouknutý, aby se zvětšil, než můžeme v současné době pozorovat, vysvětlilo by to, proč je rozsáhlá struktura vesmíru téměř jednotná a homogenní.
To však v žádném případě není jediným vysvětlením toho, jak vznikl vesmír a schopnost falšovat kterékoli z nich historicky chyběla. Jak profesor Abraham Loeb řekl časopisu Space Magazine e-mailem:
"Ačkoli mnoho pozorovaných vlastností struktur v našem vesmíru je v souladu se scénářem inflace, existuje tolik modelů inflace, že je obtížné jej falšovat." Inflace také vedla k představě o multiverse, ve kterém se cokoli, co se může stát, stane nekonečně mnohokrát, a takovou teorii nelze experimenty falšovat, což je ochranná známka tradiční fyziky. K dnešnímu dni existují konkurenční scénáře, které nezahrnují inflaci, ve kterých se vesmír nejprve stahuje a poté skáče, místo aby začínal u Velkého třesku. Tyto scénáře by mohly odpovídat současným pozorovatelným inflacím. “
Pro účely studia vyvinul Loeb a jeho kolegové modelově nezávislý způsob rozlišení inflace od alternativních scénářů. V zásadě navrhují, aby masivní pole v pravěkém vesmíru zažívaly kvantové fluktuace a poruchy hustoty, které by přímo zaznamenávaly měřítko raného vesmíru jako funkci času - tj. Fungovaly jako druh „standardních hodin vesmíru“.
Měřením signálů, které předpovídají, bude přicházet z těchto polí, předpokládají, že kosmologové budou schopni zjistit, zda se během kontrakce nebo rozšiřující se fáze raného Vesmíru objevily nějaké rozdíly v hustotě. To by jim účinně umožnilo vyloučit alternativy kosmické inflace (například scénář Big Bounce). Jak vysvětlil Loeb:
"Ve většině scénářů je přirozené mít v raném vesmíru obrovské pole." Poruchy v masivním poli na konkrétní prostorové stupnici oscilují v čase jako koule stoupající a klesající v potenciální studně, kde hmota určuje frekvenci kmitání. Vývoj poruch však závisí také na uvažovaném prostorovém měřítku a faktoru na pozadí (který se exponenciálně zvyšuje během generických modelů inflace, ale snižuje se u smluvních modelů). ““
Tato porucha, řekl Loeb, by byla zdrojem jakýchkoli variací hustoty pozorovaných astronomy v časopisu Space Magazine. Jak byly tyto variace tvarovány, lze zjistit pozorováním pozadí vesmíru - konkrétně, zda se rozšiřuje nebo stahuje, které astronomové mohou rozlišovat.
"Podle mé metafory ovlivňuje měřítko vesmíru rychlost, kterou je tahána páska, když na ní hodiny zanechávají značky," dodal Loeb. "Nový signál, který předpovídáme, vtiskl, jak se úroveň nerovností ve vesmíru mění s prostorovým měřítkem."
Loeb a jeho kolegové zkrátka identifikovali potenciální signál, který by bylo možné měřit pomocí současných nástrojů. Patří mezi ně ti, kteří studovali kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) - například ESA Planck kosmická observatoř - a ty, které prováděly průzkumy galaxií - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, Dragonfly ďalekohled atd.
V předchozích studiích bylo navrženo, že variace hustoty v pravěkém vesmíru mohou být detekovány hledáním důkazů o ne Gaussianities, což jsou opravy pro odhad Gaussovy funkce pro měření fyzické veličiny - v tomto případě CMB. Jak však řekl Loeb, je třeba je ještě odhalit:
„Nový oscilační signál je v silovém spektru poruch pravěké hustoty (která se běžně měří z kosmického mikrovlnného pozadí [CMB] nebo průzkumy galaxií), zatímco předchozí návrhy v literatuře zahrnovaly účinky související s ne Gaussianitami, které jsou mnohem více náročné na měření (a dosud nebyly detekovány). Výsledky prezentované v naší práci jsou velmi aktuální, protože rozšířené soubory dat se shromažďují podle nových pozorování anizotropií a průzkumů galaxií CMB. “
Pochopení toho, jak náš vesmír začal, je možná nejzákladnějšími otázkami vědy a kosmologie. Pokud pomocí této metody lze vyloučit alternativní vysvětlení toho, jak vznikl vesmír, přivede nás o krok blíže k určení původu času, prostoru a samotného života. Otázky „Odkud pocházíme?“ a „jak to všechno začalo?“ může mít konečnou odpověď!
