I følge Big Bang-kosmologiske modellen begynte universet vårt for 13,8 milliarder år siden da all materien og energien i kosmos begynte å ekspandere. Denne perioden med "kosmisk inflasjon" antas å være det som står for universets storskala struktur og hvorfor rom og den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) ser ut til å være stort sett ensartet i alle retninger.
Til dags dato er det imidlertid ikke oppdaget bevis som absolutt kan bevise det kosmiske inflasjonsscenariet eller utelukke alternative teorier. Men takket være en ny studie fra et team av astronomer fra Harvard University og Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), kan forskere ha et nytt middel til å teste en av de viktigste delene av Big Bang-kosmologiske modellen.
Deres papir, med tittelen “Unike fingeravtrykk av alternativer til inflasjon i det primordiale kraftspektret”, ble nylig vist på nettet og blir vurdert for publisering i Fysiske gjennomgangsbrev. Studien ble utført av henholdsvis Xingang Chen og Abraham Loeb - universitetslektor ved Harvard University og Frank D. Baird styreleder for astronomi ved Harvard University - og Zhong-Zhi Xianyu, en postdoktor ved Institutt for fysikk ved Harvard University.
For å gjenskape, i fysisk kosmologi, sier teorien om kosmisk inflasjon at kl-36 sekunder etter Big Bang begynte singulariteten der all materie og energi var konsentrert å utvide seg. Denne "inflasjons-epoken" antas å ha vart til 10-33 til 10-32 sekunder etter Big Bang; hvoretter universet begynte å utvide saktere. I samsvar med denne teorien var universets første utvidelse raskere enn lysets hastighet.
Teorien om at en slik epoke eksisterte er nyttig for kosmologer fordi det hjelper med å forklare hvorfor universet har nesten de samme forholdene i regioner som er veldig fjernt fra hverandre. I utgangspunktet, hvis kosmos stammet fra et lite romvolum som ble oppblåst for å bli større enn vi for øyeblikket kan observere, vil det forklare hvorfor den storskala strukturen til universet er nesten ensartet og homogen.
Imidlertid er dette på ingen måte de eneste forklaringene på hvordan universet ble til, og evnen til å forfalske noen av dem har historisk manglet. Som professor Abraham Loeb fortalte Space Magazine via e-post:
Selv om mange observerte egenskaper til strukturene i vårt univers stemmer med inflasjonsscenariet, er det så mange inflasjonsmodeller at det er vanskelig å forfalske det. Inflasjon førte også til forestillingen om mangfoldet der alt som kan skje vil skje uendelig mange ganger, og en slik teori er umulig å forfalske gjennom eksperimenter, som er varemerket for tradisjonell fysikk. Nå er det konkurrerende scenarier som ikke involverer inflasjon, der universet først trekker seg sammen og deretter spretter i stedet for å starte ved et Big Bang. Disse scenariene kan samsvare med gjeldende observerbare inflasjoner. "
For studiens skyld utviklet Loeb og kollegene en modelluavhengig måte å skille inflasjon fra alternative scenarier på. I hovedsak foreslår de at massive felt i det eldste universet vil oppleve kvantumsvingninger og tetthetsforstyrrelser som direkte ville registrere omfanget av det tidlige universet som en funksjon av tiden - dvs. de ville fungere som en slags "standard klokke av universet".
Ved å måle signalene som de forutsi at de kommer fra disse feltene, antar de at kosmologer ville være i stand til å si om noen variasjoner i tetthet ble frø under en kontraherende eller en utvidende fase av det tidlige universet. Dette vil effektivt tillate dem å utelukke alternativer til kosmisk inflasjon (for eksempel Big Bounce-scenariet). Som Loeb forklarte:
”I de fleste scenarier er det naturlig å ha et massivt felt i det tidlige universet. Forstyrrelsene i det massive feltet i en bestemt romlig skala svinger i tid som en ball som går opp og ned i en potensiell brønn, der massen dikterer frekvensen til svingningene. Men utviklingen av forstyrrelsene avhenger også av den romlige skalaen som vurderes så vel som bakgrunnsskala-faktoren (som øker eksponentielt under generiske inflasjonsmodeller, men avtar i kontraherende modeller). ”
Disse forstyrrelsene, sa Loeb, ville være kilden til alle tetthetsvariasjoner observert av astronomer i Space Magazine. Hvordan disse variasjonene ble formet, kan bestemmes ved å observere bakgrunnsuniverset - spesifikt, enten det var ekspanderende eller kontraherende, som astronomer kan skille mellom.
"I metaforen min påvirker skalafaktoren i universet hastigheten som et bånd trekkes når klokken etterlater flåttmerker på det," la Loeb til. "Det nye signalet vi spår innprentet på hvordan nivået av ikke-uniformiteter i universet endres med romlig skala."
Kort fortalt identifiserte Loeb og kollegene et potensielt signal som kunne måles ved hjelp av nåværende instrumenter. Disse inkluderer de som har studert den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) - som ESAs Planck romobservatoriet - og de som har gjennomført galakseundersøkelser - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, Dragonfly-teleskopet, etc.
I tidligere studier har det blitt antydet at tetthetsvariasjoner i det primordiale universet kunne oppdages ved å lete etter bevis for ikke-Gaussianities, som er korreksjoner for Gauss-funksjonens estimat for måling av en fysisk mengde - i dette tilfellet CMB. Men slik Loeb sa det, har disse ennå ikke blitt oppdaget:
"Det nye oscillerende signalet er i kraftspekteret av urbane tetthetsforstyrrelser (som rutinemessig måles fra den kosmiske mikrobølgebakgrunnen [CMB] eller galakseundersøkelser), mens tidligere forslag i litteraturen involverte effekter relatert til ikke-Gaussianities, som er mye mer utfordrende å måle (og ble ikke oppdaget per dags dato). Resultatene som presenteres i vår artikkel er veldig betimelige da utvidede datasett blir samlet inn av nye observasjoner av CMB-anisotropiene og galakseundersøkelsene. "
Å forstå hvordan universet vårt begynte, er kanskje de mest grunnleggende spørsmålene i vitenskap og kosmologi. Hvis man ved å bruke denne metoden kan utelukke alternative forklaringer på hvordan universet begynte, vil det bringe oss ett skritt nærmere å bestemme opprinnelsen til tid, rom og liv i seg selv. Spørsmålene "hvor kommer vi fra?" og "hvordan begynte det hele?" kan endelig ha et definitivt svar!
