Näkymä lämpötilaeroista kosmisessa mikroaaltotaustassa, joka syntyi, kun galaksi oli alle 400 000 vuotta vanha, tehtiin yhdeksän vuoden havainnoista Wilkinsonin mikroaaltouuni-anisotrooppisesta koetimesta (WMAP).
(Kuva: © NASA)
Paul Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopistossa ja johtava tiedemies COSI-tiedekeskuksessa. Sutter on myös isäntänä "Ask a Spaceman", "Space Radio" ja johtaa AstroToursia ympäri maailmaa. Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n Expert Voices: Op-Ed & Insights -julkaisuun.
Big Bang -malli on menestynein selitys sen maailmankaikkeuden historialle, jossa elämme, ja on naurettavan helppo kapseloida sen ydinkehys yhdeksi, T-sekoitettavaksi lauseeksi: Kauan sitten maailmankaikkeus oli paljon pienempi. Tästä yksinkertaisesta lausunnosta seuraa tärkeitä testattavia ennusteita, jotka on varmennettu vuosikymmenien havaintojen avulla. Universumin laajentumisnopeus. Kosmisen mikroaaltotausta. Kevyimpien elementtien tuotanto. Ero lähellä ja kaukaisissa galakseissa. Kaikki mehukas todisteiden linja, joka tekee kosmologiasta tieteen.
Mutta on joitain asioita. [Universumi: iso räjähdys nyt 10 helpossa vaiheessa]
"Vanilja" Big Bang -malli ei voi selittää kaikkia havaintoja ilman muita lisäyksiä tai muutoksia.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Silmät horisontissa
Voimme nähdä valtavan määrän raakaa tilaa. Havaittavan universumimme halkaisija on yli 90 miljardia valovuotta. Ja mitä kauempana katsomme sitä syvemmälle menneisyyteen, jonka vertaistamme. Ympärillämme on kosminen mikroaaltotausta, jäljellä oleva fossiilinen valo, joka vapautui, kun maailmankaikkeus oli tuskin vastasyntynyt - vain 270 000 vuotta vanha, selvästi yli 13,8 miljardia vuotta aiemmin.
Tuo valo tulee meille kosmoksen kaukaisista ulottuvista alueista, niin kaukana, että se on nyt meille saavuttamaton. Ja tuon taustavalon eri osiot eivät pääse toisiinsa. Fysiikan loistavassa žargonissa kosmisen mikroaaltotaustan alueet eivät ole syy-yhteydessä toisiinsa. Toisin sanoen, jotta yhden havaittavissa olevan maailmankaikkeuden rajoituksista voitaisiin kommunikoida toisen palasen kanssa viimeisen 13,8 miljardin vuoden aikana, heidän olisi pitänyt lähettää signaaleja valon nopeutta nopeammin.
Mikä ei olisi ollenkaan iso asia, jos kosminen mikroaaltotausta ei olisi melkein täysin sileä. Imeväisen maailmankaikkeuden lämpötila oli sama kuin miljoona osaan. Kuinka kaikki saivat niin hyvin koordinoidun, kun yhden alueen muutoksilla ei ollut tarpeeksi aikaa vaikuttaa muihin?
Suora ja kapea
Paras kuin voimme mitata, maailmankaikkeuden geometria näyttää olevan täydellisesti, täysin, aina niin tylsästi tasainen. Suurissa kosmisissa asteikkoissa yhdensuuntaiset viivat pysyvät yhdensuuntaisina ikuisesti, kolmioiden sisäkulmat lisäävät jopa 180 astetta ja niin edelleen. Kaikkia lukiossa opittuja euklidisen geometrian sääntöjä sovelletaan.
Mutta siinä ei ole syy jotta universumimme olisi tasainen. Suuressa mittakaavassa sillä olisi voinut olla mikä tahansa haluttu vanha kaarevuus. Kosmomme olisi voinut olla muodoltaan jättiläinen, moniulotteinen rantapallo tai hevossatula. Mutta ei, se valitsi tasaisen. Eikä vain vähän litteänä. Jotta voimme mitata mitään kaarevuutta muutaman prosentin tarkkuudella nykypäivän universumissa, nuoren kosmoksen on täytynyt olla tasainen yhdestä miljoonaan.
Miksi? Kaikista mahdollisista kaarevuusvaihtoehdoista eikö melkein täysin tasainen tunnu olevan hieman epäilyttävä? Ja todellakin, epäilemme, että tasaisuudelle on syy, eikä se ole vain onnekas noppaa.
Vain yksi napa
Magneettiset monopolit ovat teoreettisia pedot; itse avaruus-ajan murtumia, joissa on vain yksi magneettinen napa - kuvittele pohjoisen tai eteläisen navan hiukkaset, jotka vaeltelevat sen yksinäisyydessä. (Sellaisena kuin tiedämme sen, esineellä, jolla on magneettinen pohjoinen, on myös magneettinen etelä toisessa päässä.) Erittäin varhaisen maailmankaikkeuden parhaiden malliemme mukaan (kuten vuonna, jolloin se oli noin 10 ^ -35 sekuntia vanha, ja ei, se ei ole kirjoitusvirhe) eksoottisen prosessin olisi pitänyt täydellisesti tulva kosmostamme näiden nastien kanssa.
Näiden monopolejen tulisi olla niin yleisiä, että ne olisivat normaali osa jokapäiväistä kosmologista elämäämme. Ja vielä, emme ole nähneet todisteita yhdestäkään. Nolla. Zilch. Mikään monopolihirviö ei näytä olevan varitsevan tumman maailmankaikkeuden murtovesillä.
Joten minne he menivät? Niitä olisi pitänyt valmistaa runsaasti aivan kuten maailmankaikkeuksemme oli kiinnostava, mutta niitä ei ole missään löydettävissä.
Tee siitä vain iso
Paras ratkaisu, joka meillä on näihin ratkaisuihin, on inflaatioksi kutsuttu prosessi. Idea esitettiin ensin - ja keksittiin! - fyysikko Alan Guth vuonna 1980, kun hän ehdotti, että sama eksoottinen prosessi, joka vallitsi maailmankaikkeuden magneettisilla monopoleilla, olisi voinut lähettää kosmoksen hämmästyttävän nopeaan laajentumiseen.
Kuvittele, jos balloisin sinut - vartalo, suolet, aivot, luuranko, koko juttu - koko havaittavissa olevan maailmankaikkeuden kokoiseksi. Ja kuvittele, että sen tekeminen kesti alle 10 ^ -32 sekuntia. Se on vakava laajentuminen, ja juuri sitä tarkoitamme inflaatiolla. Kun universumimme oli uskomattoman nuori, Guth ehdotti sitä paisuttivat sellaisiin mahtaviin asteikkoihin, jotka ovat vähemmän kuin silmänräpäyksessä.
Guthille se oli puhtain tapa ratkaista monopole-ongelma. Tekemällä maailmankaikkeuden niin synkkään iso, monopolit yksinkertaisesti laimentuvat. Havaitsemamme maailmankaikkeuden laastari on vain yksi pieni nurkka koko vartta, ja siellä on vain niin paljon tilavuutta, että meidän ei pitäisi odottaa kohtaavan monopolia, kuten koskaan.
Tämä inflaatiokausi ratkaisee myös vanilja Big Bang -tuotteen kaksi muuta puutetta. Inflaatiota edeltävällä maailmankaikkeudella oli runsaasti aikaa koordinoida ja tasoittaa lämpötiloja ennen kuin rynnättiin paljon suurempaan tilaan, pakeneen kerran yhteydessä olleet alueet lisäkontaktien ulkopuolella. Ja niin erittäin valtavassa kosmossa, emme voineet muuta kuin mitata tasaista geometriaa havaittavissa olevassa laastarissamme. Kuka välittää, mikä on koko maailmankaikkeuden kaarevuus - se on niin iso, että se näyttää meille tasaisena. Maa on kaareva, mutta takapihani on mukava ja litteä, koska se on niin paljon pienempi kuin planeettamme pinta. Käytä vain samaa logiikkaa kosmologisiin asteikkoihin ja olet kultainen.
Inflaation taustalla olevat mekanismit ovat silti huonosti ymmärrettäviä, ja jotta sitä voidaan pitää puolivälissä kunnollisena tieteellisenä teoreettina, se ei voi vain selittää nykyisiä havaintoja, vaan antaa ennusteita tuleville.
Ja se on tarina toisen päivän ajan.
Lisätietoja kuuntelemalla jaksoa "Miksi me tarvitsemme kosmista inflaatiota? (Osa 2)" Ask a Spaceman -podcastissa, saatavana iTunesissa ja verkossa osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos 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. ja @scaredjackel kysymykseen, joka johti tähän kappaleeseen! Esitä oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Seuraa meitä Twitterissä @Spacedotcom ja Facebook. Alkuperäinen artikkeli Space.com-sivustolla.
