Според космологичния модел на Големия взрив нашата Вселена е започнала преди 13,8 милиарда години, когато цялата материя и енергия в Космоса започнаха да се разширяват. Счита се, че този период на "космическа инфлация" е причината за мащабната структура на Вселената и защо пространството и космическият микровълнов фон (CMB) изглеждат до голяма степен еднакви във всички посоки.
Към днешна дата обаче не са открити доказателства, които определено могат да докажат сценария за космическа инфлация или да изключат алтернативни теории. Но благодарение на ново проучване на екип от астрономи от Харвардския университет и Харвардско-Смитсоновския център за астрофизика (CfA), учените може да разполагат с нови средства за тестване на една от ключовите части на космологичния модел на Големия взрив.
Техният документ, озаглавен „Уникални пръстови отпечатъци на алтернативите на инфлацията в първичния силов спектър“, наскоро се появи онлайн и се обмисля за публикуване в Писма за физически преглед, Изследването е проведено от Xingang Chen и Abraham Loeb - старши преподавател в Харвардския университет и катедрата по астрономия на Frank D. Baird в Harvard University, съответно - и Zhong-Zhi Xianyu, докторантура от катедрата по физика в Harvard University.
За да обобщим, във физическата космология, теорията за космическата инфлация гласи, че при 10-36 секунди след Големия взрив, сингулярността, в която се концентрира цялата материя и енергия, започна да се разширява. Счита се, че тази „инфлационна епоха“ е продължила до 10 години-33 до 10-32 секунди след Големия взрив; след което Вселената започна да се разширява по-бавно. В съответствие с тази теория, първоначалното разширяване на Вселената беше по-бързо от скоростта на светлината.
Теорията за съществуването на такава епоха е полезна за космолозите, защото помага да се обясни защо Вселената има почти същите условия в региони, които са много отдалечени една от друга. По принцип, ако Космосът произхожда от малък обем пространство, който беше надут, за да стане по-голям, отколкото можем да наблюдаваме в момента, това би обяснило защо мащабната структура на Вселената е почти еднаква и хомогенна.
Това обаче в никакъв случай не е единственото обяснение за това как е възникнала Вселената и възможността за фалшифициране на някоя от тях исторически липсва. Както каза професор Ейбрахам Льоб пред Space Magazine по имейл:
„Въпреки че много наблюдавани свойства на структурите в нашата Вселена са в съответствие с инфлационния сценарий, има толкова много модели на инфлация, че е трудно да се фалшифицира. Инфлацията също доведе до представата за мултиселената, в която всичко, което може да се случи, ще се случи безкрайно много пъти и подобна теория е невъзможно да се фалшифицира чрез експерименти, което е запазената марка на традиционната физика. Засега съществуват конкурентни сценарии, които не включват инфлация, при която Вселената първо се свива, а след това отскача, вместо да започне на Големия взрив. Тези сценарии биха могли да съответстват на текущите наблюдения на инфлацията. "
Заради своето проучване, Лоб и неговите колеги разработиха независим от модела начин за разграничаване на инфлацията от алтернативните сценарии. По същество те предлагат масивните полета в първичната вселена да изпитат квантови колебания и плътни смущения, които директно да записват мащаба на ранната Вселена като функция на времето - т.е. те биха действали като своеобразен „стандартен часовник на Вселената“.
Чрез измерване на сигналите, за които прогнозират, че ще идват от тези полета, те хипотезират, че космолозите биха могли да разберат дали някакви изменения в плътността са засети по време на свиване или разширяваща се фаза на ранната Вселена. Това на практика би им позволило да изключат алтернативи на космическата инфлация (като сценария на Big Bounce). Както обясни Льоб:
„В повечето сценарии е естествено да има масивно поле в ранната Вселена. Смущенията в масивното поле в определен пространствен мащаб се колебаят във времето като топка, която се издига нагоре и надолу в потенциален кладенец, където масата диктува честотата на трептенията. Но еволюцията на смущения също зависи от разглежданата пространствена скала, както и от фоновия мащабен фактор (който нараства експоненциално по време на общите модели на инфлация, но намалява при договарящите се модели). "
Тези смущения, каза Льоб, биха били източник на всякакви изменения в плътността, наблюдавани от астрономите в космическото списание. Как са били оформени тези вариации, може да се определи чрез наблюдение на фоновата вселена - по-конкретно дали тя се разширява или свива, между които астрономите могат да разграничат.
„В моята метафора мащабният фактор на Вселената влияе върху скоростта, с която се дърпа лента, докато часовникът оставя отметки на нея“, добави Льоб. „Новият сигнал, който прогнозираме, отпечатва как нивото на нееднородностите във Вселената се променя с пространствен мащаб.“
Накратко, Лоб и неговите колеги идентифицират потенциален сигнал, който може да бъде измерен с помощта на текущи инструменти. Те включват тези, които изучават космическия микровълнов фон (CMB) - като например ESA Планк космическа обсерватория - и тези, които са провеждали галактически проучвания - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, Телескоп Dragonfly и др.
В предишни проучвания се предполагаше, че промените в плътността в изначалната Вселена биха могли да бъдат открити, като се търсят доказателства за не-гаусианства, които са корекции за оценката на гаусската функция за измерване на физическо количество - в случая CMB. Но както казва Льоб, тепърва тепърва ще се откриват:
„Новият осцилаторен сигнал е в силовия спектър на безпокойствата на първичната плътност (което рутинно се измерва от космическия микровълнов фон [CMB] или галактически проучвания), докато предишните предложения в литературата включват ефекти, свързани с не-гаусианци, които са много повече предизвикателство за измерване (и все още не са открити). Резултатите, представени в нашия документ, са много навременни, тъй като разширените масиви от данни се събират чрез нови наблюдения на анизотропиите на CMB и галактиките. “
Разбирането как започна нашата Вселена е може би най-фундаменталните въпроси в науката и космологията. Ако с прилагането на този метод могат да бъдат изключени алтернативни обяснения за това как е започнала Вселената, това ще ни доближи една крачка към определянето на произхода на времето, пространството и самия живот. Въпросите „откъде идваме?“ и „как започна всичко?“ може най-накрая да има окончателен отговор!
