Enligt Big Bang-kosmologiska modellen började vårt universum för 13,8 miljarder år sedan när all materia och energi i kosmos började expandera. Denna period av ”kosmisk inflation” tros vara det som står för universums storskaliga struktur och varför rymden och den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) verkar vara i stort sett enhetliga i alla riktningar.
Men hittills har inga bevis upptäckts som definitivt kan bevisa det kosmiska inflationsscenariot eller utesluta alternativa teorier. Men tack vare en ny studie av ett team av astronomer från Harvard University och Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), kan forskare ha ett nytt sätt att testa en av de viktigaste delarna av Big Bang kosmologiska modellen.
Deras papper, med titeln "Unika fingeravtryck av alternativ till inflation i det primordiala kraftspektrumet", dykte nyligen upp online och övervägs för publicering i Fysiska granskningsbrev. Studien genomfördes av Xingang Chen och Abraham Loeb - universitetslektor vid Harvard University och Frank D. Baird Ordförande för astronomi vid Harvard University, respektive Zhong-Zhi Xianyu, en postdoktor vid institutionen för fysik vid Harvard University.
För att sammanfatta, i fysisk kosmologi, säger teorin om kosmisk inflation att vid 10-36 sekunder efter Big Bang började singulariteten där all materia och energi koncentrerades expandera. Denna "inflationsepoch" tros ha varat till tio-33 till 10-32 sekunder efter Big Bang; varefter universum började expandera långsammare. I enlighet med denna teori var den initiala expansionen av universum snabbare än ljusets hastighet.
Teorin om att en sådan epok existerade är användbar för kosmologer eftersom den hjälper till att förklara varför universum har nästan samma förhållanden i regioner som är mycket avlägsna från varandra. I grund och botten, om kosmos härstammar från en liten mängd utrymme som blåsades upp för att bli större än vi för närvarande kan observera, skulle det förklara varför universums storskaliga struktur nästan är enhetlig och homogen.
Detta är dock inte alls de enda förklaringarna till hur universum blev, och förmågan att förfalska någon av dem har historiskt saknats. Som professor Abraham Loeb berättade för Space Magazine via e-post:
”Även om många observerade egenskaper hos strukturerna i vårt universum överensstämmer med inflationsscenariot finns det så många inflationsmodeller att det är svårt att förfalska den. Inflation ledde också till uppfattningen om mångfalden där allt som kan hända kommer att hända ett oändligt antal gånger, och en sådan teori är omöjlig att förfalska genom experiment, som är det traditionella fysikens varumärke. Just nu finns det konkurrerande scenarier som inte involverar inflation, där universum först samverkar och sedan studsar istället för att börja vid ett Big Bang. Dessa scenarier kan matcha de nuvarande observerbara inflationerna. ”
För deras studie utvecklade Loeb och hans kollegor ett modelloberoende sätt att skilja inflationen från alternativa scenarier. I huvudsak föreslår de att massiva fält i det primordiala universum skulle uppleva kvantfluktuationer och täthetsstörningar som direkt skulle registrera skalan på det tidiga universum som en funktion av tiden - dvs de skulle fungera som ett slags "standardklocka för universum".
Genom att mäta signalerna som de förutspår kommer från dessa fält, antar de att kosmologer skulle kunna se om några variationer i densitet sågs under en kontrakterande eller en expanderande fas av det tidiga universum. Detta skulle effektivt tillåta dem att utesluta alternativ till kosmisk inflation (till exempel Big Bounce-scenariot). Som Loeb förklarade:
”I de flesta scenarier är det naturligt att ha ett massivt fält i det tidiga universum. Störningarna i det massiva fältet på en speciell rumslig skala svänger i tid som en boll som går upp och ner i en potentiell brunn, där massan dikterar frekvensen för svängningarna. Men utvecklingen av störningarna beror också på den rumsliga skalan som beaktas liksom bakgrundsskalafaktorn (som ökar exponentiellt under generiska inflationsmodeller men minskar i kontraherande modeller). ”
Dessa störningar, sa Loeb, skulle vara källan till alla densitetsvariationer som astronomer observerade i Space Magazine. Hur dessa variationer formades kan bestämmas genom att observera bakgrunden universum - specifikt, om det expanderar eller kontraherar, som astronomer kan skilja mellan.
"I min metafor påverkar skalfaktorn i universum hastigheten med vilken ett band dras när klockan lämnar fästmärken på det," tillade Loeb. "Den nya signalen som vi förutspår präglade hur nivån på icke-enhetligheter i universum förändras med rumslig skala."
Kort sagt identifierade Loeb och hans kollegor en potentiell signal som kunde mätas med hjälp av nuvarande instrument. Dessa inkluderar de som har studerat den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB) - till exempel ESA: s Planck rymdobservatorium - och de som har genomfört galaxundersökningar - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, Dragonfly-teleskopet etc.
I tidigare studier har det föreslagits att densitetsvariationer i det primordiala universum kunde detekteras genom att leta efter bevis för icke-Gaussianities, som är korrigeringar för den Gaussiska funktionens uppskattning för mätning av en fysisk mängd - i detta fall CMB. Men som Loeb uttrycker det, dessa har ännu inte upptäckts:
”Den nya oscillerande signalen ligger i kraftspektrumet för störningar av primordial densitet (som rutinmässigt mäts utifrån den kosmiska mikrovågsbakgrunden [CMB] eller galaxundersökningar), medan tidigare förslag i litteraturen involverade effekter relaterade till icke-Gaussianities, som är mycket mer utmanande att mäta (och upptäcktes inte än). Resultaten som presenteras i vårt papper är mycket tidiga eftersom utvidgade datamängder samlas in genom nya observationer av CMB-anisotropierna och galaxundersökningarna. ”
Att förstå hur vårt universum började är kanske de mest grundläggande frågorna inom vetenskap och kosmologi. Om man kan utesluta alternativa förklaringar för hur universum började använda denna metod, kommer det att ta oss ett steg närmare bestämningen av tid, rymd och själva livet. Frågorna "var kommer vi ifrån?" och "hur började allt?" kan äntligen ha ett definitivt svar!
