En oversikt over temperaturforskjeller i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, generert da galaksen var mindre enn 400 000 år gammel, laget av ni år med observasjoner fra Wilkinson Microbiotech Anisotropy Probe (WMAP).
(Bilde: © NASA)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og sjefforsker ved COSI vitensenter. Sutter er også vert for "Ask a Spaceman", "Space Radio", og leder AstroTours over hele verden. Sutter bidro med denne artikkelen til Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Big Bang-modellen er vår mest vellykkede forklaring på historien til universet som vi lever i, og det er latterlig enkelt å innlemme kjernen i en enkelt setning med T-skjorter: For lenge siden var universet vårt mye mindre. Fra denne enkle uttalelsen strømmer viktige testbare prediksjoner som er bekreftet av flere tiår med observasjon. Universets utvidelsesgrad. Den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. Produksjonen av de letteste elementene. Forskjellene mellom nær og fjern galakser. Alle de saftige bevislinjene som gjør kosmologi til en vitenskap.
Men det er noen problemer. [Universet: Big Bang to Now i 10 enkle trinn]
"Vanilje" Big Bang-modellen, uten andre tillegg eller endringer, kan ikke forklare alle observasjonene.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Øyne i horisonten
Vi kan se et enormt volum av råplass. Vårt observerbare univers er mer enn 90 milliarder lysår i diameter. Og jo lenger ut vi ser jo dypere inn i fortiden vi kikker. Rundt oss er den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, det oversatte fossile lyset som ble frigitt da universet knapt var et nyfødt - bare 270 000 år gammelt, vel 13,8 milliarder år tidligere.
Det lyset kommer til oss fra kosmos fjerne rekkevidde, så fjernt at det nå er utilgjengelig for oss. Og forskjellige deler av bakgrunnslyset er utilgjengelige for hverandre. I fysikkens fantastiske sjargong er regioner med den kosmiske mikrobølgebakgrunnen ikke koblet sammen. Med andre ord, for en del av grensene for vårt observerbare univers for å kommunisere med en annen del i løpet av de siste 13,8 milliarder årene, ville de ha måttet sende signaler raskere enn lysets hastighet.
Noe som ikke ville være noe særlig i det hele tatt hvis den kosmiske mikrobølgebakgrunnen ikke nesten var perfekt glatt. Spedbarnsuniverset hadde samme temperatur til en del i en million. Hvordan ble alle så godt koordinert når endringer på ett område ikke hadde nok tid til å påvirke andre?
Rett og smalt
Så godt vi kan måle, ser geometrien til vårt univers ut til å være perfekt, totalt, alltid så kjedelig flatt. På store, kosmiske skalaer forblir parallelle linjer parallelle for alltid, innvendige vinkler på trekanter legger opp til 180 grader, og så videre. Alle reglene for euklidisk geometri som du lærte på videregående skole, gjelder.
Men det er nei Årsaken for at universet vårt skal være flatt. I store skalaer kunne den ha hatt hvilken som helst gammel krumning den ønsket. Kosmos vårt kunne ha vært formet som en gigantisk, flerdimensjonal strandball eller en ridesal. Men, nei, det plukket flatt. Og ikke bare litt flatt. For at vi ikke måler noen krumning med en presisjon på noen få prosent i dagens univers, må det unge kosmos ha vært flatt til en del av en million.
Hvorfor? Av alle mulige valg for krumning virker ikke nesten helt flatt litt mistenkelig? Og vi mistenker faktisk at det er en grunn til flatheten, og at det ikke bare er en heldig rulling av terningen.
Bare en stolpe
Magnetiske monopol er teoretiske dyr; brudd i selve romtiden som bare viser en av magnetpolene - se for deg en nord- eller sørpolert partikkel som vandrer rundt i dens ensomme. (Uansett som vi kjenner det, vil en gjenstand med magnetisk nord også ha magnetisk sør i den andre enden.) I henhold til våre beste modeller av det overmåte tidlige universet (som i da det var rundt 10 ^ -35 sekunder gammelt, og nei, det er ikke en skrivefeil) eksotisk prosess burde absolutt ha oversvømmet kosmos vårt med disse uklare.
Disse monopolene skal være så vanlige at de ville være en normal del av våre daglige kosmologiske liv. Og enda har vi ikke sett bevis for en eneste. Null. Null. Ingen monopolmonstre ser ut til å lure i det brakkiske vannet i det mørke universet.
Så hvor gikk de? De burde vært produsert i overflod akkurat som universet vårt ble interessant, men de er ingen steder å finne.
Gjør det bare stort
Den beste løsningen vi har på disse conundrums er en prosess som kalles inflasjon. Ideen ble først foreslått - og myntet! - av fysiker Alan Guth i 1980 da han antydet at den samme eksotiske prosessen som oversvømte universet med magnetiske monopol kunne ha sendt kosmos inn i en periode med svimlende hurtig ekspansjon.
Tenk om jeg ballonget deg - kroppen din, tarmen, hjernen, skjelettet, hele handelen - til størrelsen på hele vårt observerbare univers. Og tenk at det tok meg mindre enn 10 ^ -32 sekunder å gjøre det. Det er en viss alvorlig utvidelse, og nettopp hva vi mener med inflasjon. Da universet vårt var utrolig ungt, foreslo Guth det oppblåst til slike gargantuanske skalaer på mindre enn et øyeblikk.
For Guth var det den reneste ruten for å løse monopolproblemet. Ved å gjøre universet så darn stor, blir monopolene fortynnet. Den observerbare oppdateringen av universet er bare et ørlite hjørne av hele shebang, og det er bare så mye volum der ute at vi ikke bør forvente å møte en monopol, som noensinne.
Denne inflasjonsepoken løser også de to andre manglene ved vaniljen Big Bang. Det førinflasjonære universet hadde god tid til å koordinere og utjevne temperaturene før de sank til en mye større tilstand, og kastet en gang tilkoblede regioner utenfor ytterligere kontakt. Og i et så enormt enormt kosmos kunne vi ikke la være å måle en flat geometri i vår observerbare lapp. Hvem bryr seg hva krumningen i hele universet er - den er så stor at den vil fremstå flat for oss. Jorden er buet, men bakgården min er fin og flat, fordi den er så mye mindre enn overflaten på planeten vår. Bare bruk den samme logikken på kosmologiske skalaer, og du er gylden.
Fortsatt er mekanismene bak inflasjonen dårlig forstått, og for å bli betraktet som en halvveis anstendig vitenskapelig teori, kan den ikke bare forklare nåværende observasjoner, men komme med spådommer for fremtidige.
Og det vil være historien for en annen dag.
Lær mer ved å lytte til episoden "Hvorfor trenger vi kosmisk inflasjon? (Del 2)" på podcasten Ask a Spaceman, tilgjengelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Takk til Massimiliano S., Lorenzo B., @ZachCoty, Pete E., Christian W., @up_raw, Vicki K., Thomas, Banda C., Steve S., Evan W., Andrew P., @MarkRiepe, @ Luft08, @kazoukis, Gordon M., Jim W., Cosmic Wakes, Floren H., Gabi P., Amanda Z. og @scaredjackel for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg oss på Twitter @Spacedotcom og på Facebook. Originalartikkel på Space.com.
