Big Bang -kosmologisen mallin mukaan universumimme alkoi 13,8 miljardia vuotta sitten, kun kaikki asia ja energia kosmosissa alkoivat laajentua. Tämän "kosmisen inflaation" ajanjakson uskotaan olevan se, mikä vastaa maailmankaikkeuden laaja-alaisesta rakenteesta ja miksi avaruus ja kosminen mikroaaltouuni (CMB) vaikuttavat olevan suurelta osin yhtenäisiä kaikkiin suuntiin.
Tähän mennessä ei kuitenkaan ole löydetty todisteita, jotka voisivat ehdottomasti todistaa kosmisen inflaation skenaarion tai sulkea pois vaihtoehtoiset teoriat. Mutta Harvardin yliopiston ja Harvard-Smithsonian astrofysiikan keskuksen (CfA) tähtitieteilijäryhmän tekemän uuden tutkimuksen ansiosta tutkijoilla voi olla uusi keino testata Big Bang -kosmologisen mallin yhtä avainta.
Heidän julkaisunsa, jonka otsikkona on ”Ainutlaatuiset inflaatiovaihtoehtojen sormenjäljet ensisijaisessa tehospektrissä”, ilmestyi äskettäin verkossa, ja sitä harkitaan julkaisemiseen Fyysiset tarkistuskirjeet. Tutkimuksen suorittivat Xingang Chen ja Abraham Loeb - Harvardin yliopiston vanhempi luennoitsija ja vastaavasti Harvardin yliopiston tähtitieteen puheenjohtaja Frank D. Baird - ja Harvardin yliopiston fysiikan laitoksen tutkijatohtori Zhong-Zhi Xianyu.
Fyysisessä kosmologiassa kosmisen inflaation teorian mukaan 10-36 sekunnin kuluttua isosta räjähdyksestä, ainutlaatuisuus, johon kaikki aine ja energia keskittyivät, alkoi laajentua. Tämän inflaatiokauden uskotaan kestäneen 10 vuoteen-33 10: een-32 sekuntia ison iskun jälkeen; jonka jälkeen maailmankaikkeus alkoi laajentua hitaammin. Tämän teorian mukaan maailmankaikkeuden alkuperäinen laajentuminen oli nopeampaa kuin valon nopeus.
Teoria siitä, että tällainen aikakausi oli olemassa, on hyödyllinen kosmologeille, koska se auttaa selittämään, miksi maailmankaikkeudessa on melkein samat olosuhteet alueilla, jotka ovat hyvin kaukana toisistaan. Periaatteessa, jos kosmos syntyi pienestä tilavuudesta avaruudesta, joka oli paisutettu niin, että siitä tulee suurempi kuin voimme tällä hetkellä havaita, se selittäisi miksi maailmankaikkeuden laaja-alainen rakenne on melkein tasainen ja homogeeninen.
Tämä ei kuitenkaan ole mitenkään ainoa selitys siitä, kuinka maailmankaikkeus on tullut, ja kykyä väärentää mitä tahansa näistä on historiallisesti puuttuva. Kuten professori Abraham Loeb kertoi Space Magazinelle sähköpostitse:
”Vaikka monet maailmankaikkeuden rakenteiden havaitut ominaisuudet ovat yhdenmukaisia inflaatioskenaarion kanssa, inflaatiomalleja on niin paljon, että on vaikea väärentää sitä. Inflaatio johti myös käsitykseen moniosasta, jossa kaikki mitä voi tapahtua tapahtuu äärettömän monta kertaa, ja tällaista teoriaa on mahdotonta väärentää kokeiluilla, mikä on perinteisen fysiikan tavaramerkki. Tähän mennessä on olemassa kilpailevia skenaarioita, joihin ei liity inflaatiota, joissa maailmankaikkeus ensin supistuu ja sitten pomppii sen sijaan, että aloittaisi isosta räjähdyksestä. Nämä skenaariot voisivat vastata nykyisiä inflaatiohavaintoja. "
Loeb ja hänen kollegansa kehittivät tutkimuksensa vuoksi mallista riippumattoman tavan erottaa inflaatio vaihtoehtoisista skenaarioista. Pohjimmiltaan he ehdottavat, että massiivisissa kentissä alkumaailmassa tapahtuu kvanttivaihteluita ja tiheyshäiriöitä, jotka tallentaisivat varhaisen maailmankaikkeuden asteikon suoraan ajan funktiona - ts. Ne toimisivat eräänlaisena "maailmankaikkeuden vakiokellona".
Mittaamalla signaaleja, jotka heidän ennustetaan tulevan näiltä kentiltä, he olettavat, että kosmologit pystyisivät selvittämään, siemennetäänkö tiheyden muutoksille varhaisen maailmankaikkeuden supistumisvaiheessa tai laajentuvassa vaiheessa. Tämä antaisi heille käytännössä mahdollisuuden sulkea pois vaihtoehtoja kosmiselle inflaatiolle (kuten Big Bounce -skenaario). Kuten Loeb selitti:
”Useimmissa skenaarioissa on luonnollista, että varhaisessa universumissa on massiivinen kenttä. Häiriöt massiivisella kentällä tietyllä alueellisella asteikolla värähtelevät ajoissa kuin pallo, joka menee ylös ja alas potentiaalikuopassa, missä massa määrää värähtelyjen taajuuden. Häiriöiden kehitys riippuu kuitenkin myös tarkasteltavana olevasta alueellisesta asteikosta sekä taustaasteikkokerroimesta (joka kasvaa räjähdysmäisesti yleisten inflaatiomallien aikana, mutta laskee supistuvissa malleissa). "
Nämä häiriöt, Loeb sanoi, aiheuttaisivat kaikki tiheyden vaihtelut, joita tähtitieteilijät havaitsivat Space Magazine -lehdessä. Kuinka nämä variaatiot muotoiltiin, voidaan määrittää tarkkailemalla taustauniversumia - erityisesti laajentuuko vai supistuuko se, minkä tähtitieteilijät voivat erottaa toisistaan.
"Metafoorissani maailmankaikkeuden mittakerroin vaikuttaa nopeuteen, jolla nauhaa vedetään, kun kello jättää siihen merkinnät", Loeb lisäsi. "Uusi ennusteemme merkki siitä, kuinka universumin epätasaisuuksien taso muuttuu alueellisen mittakaavan mukaan."
Lyhyesti sanottuna Loeb ja hänen kollegansa tunnistivat potentiaalisen signaalin, joka voitaisiin mitata nykyisillä instrumenteilla. Näihin kuuluvat ne, jotka opiskelevat kosmista mikroaaltotaustaa (CMB) - kuten ESA Planck avaruuden observatorio - ja ne, jotka ovat suorittaneet galaksitutkimuksia - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, Dragonfly-kaukoputki jne.
Aikaisemmissa tutkimuksissa on ehdotettu, että tiheysmuutokset ensisijaisessa maailmankaikkeudessa voitaisiin havaita etsimällä todisteita ei-Gaussialaisuuksista, jotka ovat korjauksia Gaussin funktionestimaattiin fyysisen määrän mittaamiseksi - tässä tapauksessa CMB. Mutta kuten Loeb totesi, näitä ei ole vielä edes havaittu:
”Uusi värähtelysignaali on ensisijaisten tiheyshäiriöiden (joka mitataan rutiininomaisesti kosmisen mikroaaltotaustan [CMB] tai galaksitutkimusten perusteella) spektrissä, kun taas aikaisemmat kirjallisuuden ehdotukset koskivat ei-Gaussianisuuksiin liittyviä vaikutuksia, joita on paljon enemmän haastava mitata (eikä niitä ole vielä todettu). Lehdessämme esitetyt tulokset ovat erittäin ajankohtaisia, koska laajennettuja tietojoukkoja kerätään uusilla havainnoilla CMB: n anisotropioita ja galaksitutkimuksia. "
Ymmärtäminen siitä, kuinka maailmankaikkeus alkoi, on kenties tutkimuksen ja kosmologian perustavanlaatuisia kysymyksiä. Jos tätä menetelmää soveltamalla voidaan sulkea pois vaihtoehtoiset selitykset siitä, miten maailmankaikkeus alkoi, se vie meidät askeleen lähemmäksi ajan, tilan ja itse elämän alkuperän määrittämistä. Kysymykset "mistä me tulemme?" ja ”kuinka se kaikki alkoi?” voi vihdoin olla lopullinen vastaus!
