I henhold til Big Bang-kosmologiske model begyndte vores univers for 13,8 milliarder år siden, da al materien og energien i kosmos begyndte at udvide. Denne periode med ”kosmisk inflation” antages at være det, der tegner sig for universets store struktur og hvorfor rummet og den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) ser ud til at være stort set ensartet i alle retninger.
Men indtil videre er der ikke fundet noget bevis, der helt sikkert kan bevise det kosmiske inflationsscenarie eller udelukke alternative teorier. Men takket være en ny undersøgelse fra et team af astronomer fra Harvard University og Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), kan forskere muligvis have et nyt middel til at teste en af de vigtigste dele af Big Bang-kosmologiske model.
Deres papir, med titlen "Unikke fingeraftryk af alternativer til inflation i det primordiale strømspektrum", for nylig dukkede op online og overvejes til offentliggørelse i Fysiske gennemgangsbreve. Undersøgelsen blev udført af henholdsvis Xingang Chen og Abraham Loeb - en universitetslektor ved Harvard University og Frank D. Baird formand for astronomi ved Harvard University - og Zhong-Zhi Xianyu, en postdoktor ved Institut for Fysik ved Harvard University.
For at sammenfatte teorien om kosmisk inflation i fysisk kosmologi, at ved 10-36 sekunder efter Big Bang begyndte singulariteten, hvor al materie og energi blev koncentreret, at udvide. Det antages, at denne ”inflationsepoke” har varet indtil 10-33 til 10-32 sekunder efter Big Bang; hvorefter universet begyndte at ekspandere langsommere. I overensstemmelse med denne teori var universets første udvidelse hurtigere end lysets hastighed.
Teorien om, at en sådan epoke eksisterede, er nyttig for kosmologer, fordi det hjælper med at forklare, hvorfor universet har næsten de samme forhold i regioner, der er meget fjernt fra hinanden. Grundlæggende, hvis kosmos stammede fra et lille rumvolumen, der blev oppustet til at blive større, end vi i øjeblikket kan observere, ville det forklare, hvorfor universets store struktur er næsten ensartet og homogen.
Dette er dog på ingen måde de eneste forklaringer på, hvordan universet blev, og evnen til at forfalske nogen af dem har historisk manglet. Som professor Abraham Loeb fortalte Space Magazine via e-mail:
”Selvom mange observerede egenskaber ved strukturer i vores univers stemmer overens med inflationsscenariet, er der så mange inflationsmodeller, at det er vanskeligt at forfalskes. Inflation førte også til opfattelsen af multiverset, hvor alt, hvad der kan ske, vil ske uendeligt mange gange, og en sådan teori er umulig at forfalskes gennem eksperimenter, der er varemærket for traditionel fysik. På nuværende tidspunkt er der konkurrerende scenarier, der ikke involverer inflation, hvor universet først sammentrækkes og derefter hopper i stedet for at starte ved et Big Bang. Disse scenarier kunne matche den aktuelle observerbare inflation. ”
Af hensyn til deres undersøgelse udviklede Loeb og hans kolleger en modeluafhængig måde at skelne inflation fra alternative scenarier på. I det væsentlige foreslår de, at massive felter i det oprindelige univers vil opleve kvantefluktuationer og tæthedsforstyrrelser, der direkte ville registrere omfanget af det tidlige univers som en funktion af tiden - dvs. de ville fungere som en slags ”standardur af universet”.
Ved at måle de signaler, som de forudsiger at skulle komme fra disse felter, antager de, at kosmologer ville være i stand til at fortælle, om der var udsat nogen variationer i densitet under en kontraherende eller en ekspanderende fase af det tidlige univers. Dette vil effektivt give dem mulighed for at udelukke alternativer til kosmisk inflation (såsom Big Bounce-scenariet). Som Loeb forklarede:
”I de fleste scenarier er det naturligt at have et massivt felt i det tidlige univers. Forstyrrelserne i det massive felt på en bestemt rumlig skala svinger i tid som en kugle, der går op og ned i en potentiel brønd, hvor massen dikterer frekvensen af svingningerne. Men udviklingen af forstyrrelser afhænger også af den rumlige skala, der overvejes, såvel som baggrundsskala-faktoren (som øges eksponentielt under generiske inflationsmodeller, men falder i kontraherende modeller). ”
Disse forstyrrelser, sagde Loeb, ville være kilden til enhver tæthedsvariationer, der er observeret af astronomer i Space Magazine. Hvordan disse variationer blev formet, kan bestemmes ved at observere baggrundseuniverset - specifikt, hvad enten det var ekspanderende eller kontraherende, som astronomer kan skelne mellem.
"I min metafor påvirker universets skalafaktor hastigheden, hvormed et bånd trækkes, når uret efterlader krydsemærker på det," tilføjede Loeb. ”Det nye signal, vi forudsiger, er præget af, hvordan niveauet for ikke-ensartethed i universet ændrer sig med den rumlige skala.”
Kort sagt identificerede Loeb og hans kolleger et potentielt signal, der kunne måles ved hjælp af aktuelle instrumenter. Disse inkluderer dem, der har studeret den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) - såsom ESA'erne Planck rumobservatorium - og dem, der har foretaget galakseundersøgelser - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, Dragonfly-teleskopet osv.
I tidligere undersøgelser er det blevet antydet, at densitetsvariationer i det oprindelige univers kunne detekteres ved at lede efter bevis for ikke-Gaussianities, som er korrektioner for det Gaussiske funktionsestimat til måling af en fysisk mængde - i dette tilfælde CMB. Men som Loeb udtrykte det, disse er endnu ikke blevet opdaget:
”Det nye oscillerende signal er i kraftspektret af uregelmæssige tæthedsforstyrrelser (som rutinemæssigt måles ud fra den kosmiske mikrobølgebaggrunds [CMB] eller galakseundersøgelser), hvorimod tidligere forslag i litteraturen involverede effekter relateret til ikke-Gaussianities, som er meget mere udfordrende at måle (og blev endnu ikke opdaget). Resultaterne, der præsenteres i vores papir, er meget rettidige, da udvidede datasæt indsamles ved nye observationer af CMB-anisotropierne og galakseundersøgelserne. ”
At forstå, hvordan vores univers begyndte, er måske de mest grundlæggende spørgsmål inden for videnskab og kosmologi. Hvis man ved at anvende denne metode kan udelukke alternative forklaringer på, hvordan universet begyndte, vil det bringe os et skridt nærmere ved at bestemme oprindelsen af tid, rum og selve livet. Spørgsmålene "hvor kommer vi fra?" og "hvordan begyndte det hele?" kan endelig have et endeligt svar!
