Enligt Big Bang kosmologisk modell, vårt universum började för 13,8 miljarder år sedan när all materia och energi i kosmos började expandera. Denna period av 'kosmisk inflation' tros vara det som förklarar universums storskaliga struktur och varför rymden och Kosmisk mikrovågsugn bakgrund (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 a 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 nyckeldelarna i Big Bang kosmologiska modell.
Deras tidning, med titeln ' Unika fingeravtryck av alternativ till inflation i urkraftspektrumet ', nyligen dök upp online och övervägs för publicering iFysiska granskningsbrev. Studien genomfördes av Xingang Chen och Abraham Loeb – lektor vid Harvard University respektive Frank D. Baird Chair of Astronomy vid Harvard University – och 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 10-36sekunder efter Big Bang började singulariteten där all materia och energi var koncentrerad att expandera. Denna 'inflationsepok' tros ha varat fram till 10-33till 10-32sekunder efter Big Bang; varefter universum började expandera långsammare. I enlighet med denna teori var den initiala expansionen av universum snabbare än ljusets hastighet.
Teorin 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 volym av rymden som blåstes upp för att bli större än vi för närvarande kan observera, skulle det förklara varför universums storskaliga struktur är nästan enhetlig och homogen.
Detta är dock inte på något sätt den enda förklaringen till hur universum kom till, och förmågan att förfalska någon av dem har historiskt sett saknats. Som professor Abraham Loeb sa till Universe Today via e-post:
'Även om många observerade egenskaper hos strukturerna i vårt universum stämmer överens med inflationsscenariot, finns det så många modeller för inflation att det är svårt att förfalska det. Inflation ledde också till föreställningen om multiversum där allt som kan hända kommer att hända ett oändligt antal gånger, och en sådan teori är omöjlig att förfalska genom experiment, vilket är traditionell fysiks varumärke. Vid det här laget finns det konkurrerande scenarier som inte involverar inflation, där universum först drar ihop sig och sedan studsar istället för att börja vid en Big Bang. Dessa scenarier kan matcha de nuvarande observerbara inflationsresultaten.'
För sin studies skull utvecklade Loeb och hans kollegor ett modelloberoende sätt att skilja inflation från alternativa scenarier. I grund och botten föreslår de att massiva fält i det ursprungliga universum skulle uppleva kvantfluktuationer och densitetsstörningar som direkt skulle registrera det tidiga universums skala som en funktion av tiden - det vill säga de skulle fungera som en sorts 'universums standardklocka'.
Genom att mäta signalerna som de förutspår skulle komma från dessa fält, antar de att kosmologer skulle kunna avgöra om några variationer i densitet såddes under en sammandragande eller expanderande fas av det tidiga universum. Detta skulle effektivt göra det möjligt för dem att utesluta alternativ till kosmisk inflation (som t Stor Bounce scenario). 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 tiden som en boll som går upp och ner i en potentiell brunn, där massan dikterar svängningarnas frekvens. Men utvecklingen av störningarna beror också på den rumsliga skalan som övervägs såväl som bakgrundsskalfaktorn (som ökar exponentiellt under generiska inflationsmodeller men minskar i kontrakterande modeller).
Dessa störningar, sade Loeb, skulle vara källan till alla densitetsvariationer som observerats av astronomer i universum idag. Hur dessa variationer formades kan bestämmas genom att observera bakgrundsuniversumet - specifikt om det expanderade eller krympte, vilket astronomer kan skilja mellan.
'I min metafor påverkar universums skalfaktor hastigheten med vilken ett band dras när klockan lämnar tickmärken på den,' tillade Loeb. 'Den nya signalen vi förutsäger präglade hur nivån av olikheter i universum förändras med rumslig skala.'
Den här illustrationen visar universums utveckling, från Big Bang till vänster till modern tid till höger. Bild: NASA
Kort sagt, Loeb och hans kollegor identifierade en potentiell signal som kunde mätas med nuvarande instrument. Dessa inkluderar de som har studerat Cosmic Microwave Background (CMB) – som ESA:s Planckrymdobservatoriet – och de som har genomfört galaxundersökningar – den Sloan Digital Sky Survey , den VLT Survey Telescope , den Trollslända teleskop etc.
I tidigare studier har det föreslagits att densitetsvariationer i det ursprungliga universum skulle kunna upptäckas genom att leta efter bevis för icke-Gaussianiteter, som är korrigeringar för Gauss funktionsuppskattning för mätning av en fysisk storhet – i detta fall CMB. Men som Loeb uttryckte det, dessa har ännu inte ens upptäckts:
'Den nya oscillerande signalen finns i kraftspektrumet för störningar i primordial densitet (som rutinmässigt mäts från den kosmiska mikrovågsbakgrunden [CMB] eller galaxundersökningar), medan tidigare förslag i litteraturen involverade effekter relaterade till icke-Gaussianiteter, som är mycket mer utmanande att mäta (och har ännu inte upptäckts). Resultaten som presenteras i vår artikel är mycket lägliga eftersom utökade datamängder samlas in genom nya observationer av CMB-anisotropierna och galaxundersökningar.'
Att förstå hur vårt universum började är kanske de mest grundläggande frågorna inom vetenskap och kosmologi. Om man genom att tillämpa denna metod kan utesluta alternativa förklaringar till hur universum började, kommer det att föra oss ett steg närmare att bestämma ursprunget till tiden, rummet och livet självt. Frågorna 'var kommer vi ifrån?' och 'hur började det hela?' kan äntligen ha ett definitivt svar!
Vidare läsning: arXiv