Et billede af temperaturforskelle i den kosmiske mikrobølgebakgrund, der blev genereret, da galaksen var mindre end 400.000 år gammel, lavet af ni års observationer fra Wilkinson Microbølgeovn Anisotropy Probe (WMAP).
(Billede: © NASA)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og chefforsker ved COSI videnskabscenter. Sutter er også vært for "Ask a Spaceman", "Space Radio", og fører AstroTours rundt om i verden. Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Big Bang-modellen er vores mest succesrige forklaring på universets historie, som vi lever i, og det er latterligt let at indkapsle dets grundlæggende rammer i en enkelt, T-shirt-sætning: For længe siden var vores univers meget mindre. Fra denne enkle udsagn strømmer vigtige testbare forudsigelser, der er verificeret af årtiers observation. Universets ekspansionshastighed. Den kosmiske mikrobølge baggrund. Produktionen af de letteste elementer. Forskellene mellem nær og fjern galakser. Alle de saftige bevislinjer, der gør kosmologi til en videnskab.
Men der er nogle problemer. [Universet: Big Bang to Now i 10 nemme trin]
"Vanilla" Big Bang-modellen kan uden andre tilføjelser eller ændringer ikke forklare alle observationer.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Øjne i horisonten
Vi kan se en enorm mængde rå plads. Vores observerbare univers er mere end 90 milliarder lysår i diameter. Og jo længere derfra ser vi jo dybere ind i fortiden peer vi. Omkring os er den kosmiske mikrobølgebakgrund, det resterende fossile lys frigivet, da universet næppe var en nyfødt - kun 270.000 år gammel, godt over 13,8 milliarder år tidligere.
Det lys kommer til os fra kosmos langt væk, så langt, at det nu er utilgængeligt for os. Og forskellige sektioner af det baggrundslys er utilgængelige for hinanden. I fysikens vidunderlige jargon er regioner med den kosmiske mikrobølgebakgrund ikke forbundet med hinanden. Med andre ord, for en del af grænserne i vores observerbare univers til at kommunikere med en anden del i de sidste 13,8 milliarder år, ville de have været nødt til at sende signaler hurtigere end lysets hastighed.
Hvilket overhovedet ikke ville være noget, hvis den kosmiske mikroovnbaggrund ikke var næsten perfekt glat. Spædbarnsuniverset havde den samme temperatur til en del af en million. Hvordan blev alle så velkoordinerede, når ændringer i et område ikke havde tid nok til at påvirke andre?
Lige og smalle
Så godt vi kan måle, ser geometriet i vores univers ud til at være perfekt, totalt, altid så kedeligt fladt. På store, kosmiske skalaer forbliver parallelle linjer parallelle for evigt. Indvendige vinkler på trekanter tilføjer op til 180 grader, og så videre. Alle reglerne for den euklidiske geometri, som du lærte i gymnasiet, gælder.
Men der er nej grund for at vores univers skal være fladt. I store skalaer kunne det have haft enhver gammel krumning, den ønskede. Vores kosmos kunne have været formet som en kæmpe, multidimensionel strandbold eller en ridningssadel. Men nej, det plukket fladt. Og ikke bare lidt fladt. For at vi ikke måler nogen krumning med en nøjagtighed på nogle få procent i nutidens univers, må det unge kosmos have været fladt til en del af en million.
Hvorfor? Af alle de mulige valg for krumning virker ikke næsten perfekt flad lidt mistænkelig? Og faktisk har vi mistanke om, at der er en grund til fladheden, og det er ikke kun en heldig kast med terningerne.
Bare en stang
Magnetiske monopoler er teoretiske dyr; brud i selve rumtiden, der kun udviser en af magnetpolerne - forestil dig en nord- eller sydpoleret partikel, der vandrer rundt i dens ensomme. (Materiale som vi kender det, vil et objekt med magnetisk nord også have et magnetisk syd i den anden ende.) I henhold til vores bedste modeller af det overordentlig tidlige univers (som i da det var omkring 10 ^ -35 sekunder gammelt, og nej, det er ikke en skrivefejl) eksotisk proces burde absolut have oversvømmet vores kosmos med disse nasties.
Disse monopoler skulle være så almindelige, at de ville være en normal del af vores daglige kosmologiske liv. Og alligevel har vi ikke set beviser for en enkelt. Nul. Zilch. Ingen monopole monstre ser ud til at lurer i det brunkende vand i det mørke univers.
Så hvor gik de hen? De burde have været fremstillet i overflod, ligesom vores univers blev interessant, men de er intetsteds at finde.
Bare gør det stort
Den bedste løsning, vi har til disse conundrums, er en proces kaldet inflation. Ideen blev først foreslået - og myntet! - af fysiker Alan Guth i 1980, da han foreslog, at den samme eksotiske proces, der oversvømte universet med magnetiske monopoler, kunne have sendt kosmos ind i en periode med svimlende hurtig ekspansion.
Forestil dig, at hvis jeg ballooned dig - din krop, tarme, hjerne, skelet, hele handlen - til størrelsen af hele vores observerbare univers. Og forestil dig, det tog mig mindre end 10 ^ -32 sekunder at gøre det. Det er en vis alvorlig udvidelse, og netop hvad vi mener med inflation. Da vores univers var utroligt ungt, foreslog Guth det oppustet til sådanne gargantuanske skalaer på mindre end et øjeblik.
For Guth var det den reneste vej til løsning af monopolproblemet. Ved at gøre universet så darn stor, monopolerne bliver simpelthen fortyndede. Vores observerbare plaster af universet er kun et lille hjørne af hele shebang, og der er lige så meget volumen derude, at vi ikke burde forvente at møde en monopol, som nogensinde.
Denne inflationære epoke løser også de to andre mangler ved vanilla Big Bang. Det førinflatoriske univers havde masser af tid til at koordinere og udjævne temperaturerne før der ryste op i en meget større tilstand, hvor de engang forbundne regioner kastede uden for yderligere kontakt. Og i et så enormt enormt kosmos kunne vi ikke undgå at måle en flad geometri i vores observerbare plaster. Hvem er ligeglad med, hvad krumningen i hele universet er - det er så stort, at det vises fladt for os. Jorden er buet, men min baghave er pæn og flad, fordi den er så meget mindre end overfladen på vores planet. Bare brug den samme logik på kosmologiske skalaer, og du er gylden.
Stadig er de mekanismer, der ligger til grund for inflation, dårligt forstået, og for at blive betragtet som en halvvejs anstændig videnskabelig teori, kan den ikke bare forklare aktuelle observationer, men fremsætte forudsigelser for fremtidige.
Og det vil være historien til en anden dag.
Lær mere ved at lytte til episoden "Hvorfor har vi brug for kosmisk inflation? (Del 2)" på podcasten Spørg en Spaceman, tilgængelig på iTunes og på internettet på http://www.askaspaceman.com. Tak 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 de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg os på Twitter @ Spacedotcom og på Facebook. Original artikel på Space.com.
