En vy av temperaturskillnaderna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, genererad när galaxen var mindre än 400 000 år gammal, gjord av nio års observationer från Wilkinson Microbys mikrovågsanisotropyprobe (WMAP).
(Bild: © NASA)
Paul Sutter är en astrofysiker vid Ohio State University och chefsforskare vid COSI Science Center. Sutter är också värd för "Ask a Spaceman", "Space Radio" och leder AstroTours runt om i världen. Sutter bidrog med denna artikel till Space.com: s expertröster: Op-Ed & Insights.
Big Bang-modellen är vår mest framgångsrika förklaring till universums historia som vi lever i, och det är löjligt enkelt att sammanfatta dess kärnramar i en enda, T-shirtbar mening: För länge sedan var vårt universum mycket mindre. Från detta enkla uttalande flödar viktiga testbara förutsägelser som har verifierats av decennier av observation. Universumets expansionshastighet. Den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Produktionen av de lättaste elementen. Skillnaderna mellan nära och fjärran galaxer. Alla de saftiga bevislinjerna som gör kosmologi till en vetenskap.
Men det finns några problem. [Universumet: Big Bang to Now i 10 enkla steg]
"Vanilj" Big Bang-modellen, utan några andra tillägg eller ändringar, kan inte förklara alla observationer.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Ögon i horisonten
Vi kan se en enorm mängd råutrymme. Vårt observerbara universum är mer än 90 miljarder ljusår i diameter. Och ju längre ut vi tittar djupare in i det förflutna vi kikar. Runt oss ligger den kosmiska mikrovågsbakgrunden, det kvarvarande fossila ljuset som släpptes när universum knappt var en nyfödd - bara 270 000 år gammal, väl över 13,8 miljarder år tidigare.
Det ljuset kommer till oss från kosmos avlägsna räckvidd, så avlägset att det nu är oåtkomligt för oss. Och olika delar av det bakgrundsbelysningen är otillgängliga för varandra. I fysikens underbara jargong är regioner med den kosmiska mikrovågsbakgrunden inte orsakade. Med andra ord, för en bit av gränserna för vårt observerbara universum för att kommunicera med en annan bit under de senaste 13,8 miljarder åren, skulle de ha varit tvungna att skicka signaler snabbare än ljusets hastighet.
Vilket skulle inte vara någon stor sak alls om den kosmiska mikrovågsbakgrunden nästan inte var perfekt slät. Spädbarnsuniverset hade samma temperatur till en del i en miljon. Hur blev alla så välkoordinerade när förändringar inom ett område inte hade tillräckligt med tid att påverka andra?
Raka och smala
Så bäst som vi kan mäta verkar vårt universums geometri vara perfekt, totalt, någonsin så tråkigt plant. På stora, kosmiska skalor förblir parallella linjer parallella för alltid, inre vinklar av trianglar lägger upp till 180 grader, och så vidare. Alla regler för euklidisk geometri som du lärde dig i gymnasiet gäller.
Men det finns inget anledning för att vårt universum ska vara platt. På stora skalor kunde det ha haft vilken gammal krökning den ville ha. Vårt kosmos kunde ha formats som en jätte, flerdimensionell strandboll eller en ridningssadel. Men nej, det plockade platt. Och inte bara lite platt. För att vi inte ska kunna mäta någon krökning med en precision på några procent i dagens universum måste det unga kosmos ha varit platt till en del i en miljon.
Varför? Av alla möjliga val för krökning, verkar inte nästan perfekt platt lite misstänkt? Och vi misstänker faktiskt att det finns en anledning till plattheten, och det är inte bara en tärning med turen.
Bara en stolpe
Magnetiska monopol är teoretiska odjur; sprickor i själva rymden som bara uppvisar en av magnetpolerna - föreställ dig en nord- eller sydpolig partikel som vandrar runt i sin ensamma. (Oavsett som vi känner till det kommer ett objekt med magnetisk norr också att ha en magnetisk söder i andra änden.) Enligt våra bästa modeller av det oerhört tidiga universum (som i när det var cirka 10 ^ -35 sekunder gammalt, och nej, det är inte en typ) exotisk process borde absolut ha översvämmat vårt kosmos med dessa nasties.
Dessa monopol bör vara så vanliga att de skulle vara en normal del av våra vardagliga kosmologiska liv. Och ändå har vi inte sett bevis för en enda. Noll. Zilch. Inga monopolmonster verkar lura i det bräckliga vattnet i det mörka universum.
Så vart gick de? De borde ha tillverkats i överflöd precis som vårt universum blev intressant, men de finns ingenstans att hitta.
Gör det bara stort
Den bästa lösningen vi har på dessa svårigheter är en process som kallas inflation. Idén föreslogs först - och myntades! - av fysikern Alan Guth 1980 när han föreslog att samma exotiska process som översvämmade universumet med magnetiska monopoler kunde ha skickat kosmos till en period med häpnadsväckande snabb expansion.
Föreställ dig om jag ballongerade dig - din kropp, tarmar, hjärnan, skelettet, hela affären - till storleken på hela vårt observerbara universum. Och föreställ dig att det tog mig mindre än 10 ^ -32 sekunder att göra det. Det är en viss allvarlig expansion, och precis vad vi menar med inflationen. När vårt universum var oerhört ungt, föreslog Guth, det uppblåst till sådana gargantuan skalor på mindre än ett ögonblick.
För Guth var det den renaste vägen till att lösa monopolproblemet. Genom att göra universum så darn stor, monopolerna blir helt enkelt utspädda. Vår observerbara lapp av universum är bara ett litet hörn av hela shebang, och det finns bara så mycket volym där ute att vi inte borde förvänta oss att möta en monopol, som någonsin.
Denna inflationära epok löser också de andra två bristerna i vaniljens Big Bang. Det förinflatoriska universum hade god tid att samordna och utjämna temperaturer innan de växlade in i ett mycket större tillstånd och slängde en gång anslutna regioner utanför ytterligare kontakt. Och i ett så enormt enormt kosmos kunde vi inte låta bli att mäta en platt geometri i vår observerbara lapp. Vem bryr sig om hela universumets krökning - den är så stor att den kommer att vara platt för oss. Jorden är böjd, men min trädgård är fin och platt, eftersom den är så mycket mindre än ytan på vår planet. Använd bara samma logik på kosmologiska skalor så är du gyllene.
Fortfarande är de mekanismer som ligger bakom inflationen dåligt förståda, och för att betraktas som en halvvägs anständig vetenskaplig teori kan den inte bara förklara aktuella observationer utan göra förutsägelser för framtida.
Och det kommer att vara historien för en annan dag.
Läs mer genom att lyssna på avsnittet "Varför behöver vi kosmisk inflation? (Del 2)" på podcasten Ask a Spaceman, tillgänglig på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till 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. och @scaredjackel för frågorna som ledde till det här stycket! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter. Följ oss på Twitter @ Spacedotcom och på Facebook. Originalartikel på Space.com.
