Conform modelului cosmologic Big Bang, Universul nostru a început în urmă cu 13,8 miliarde de ani, când toată materia și energia din cosmos au început să se extindă. Se crede că această perioadă a „inflației cosmice” este ceea ce reprezintă structura pe scară largă a Universului și de ce spațiul și fundalul cu microunde cosmice (CMB) par a fi în mare măsură uniforme în toate direcțiile.
Cu toate acestea, până în prezent, nu a fost descoperită nicio dovadă care să dovedească cu siguranță scenariul inflației cosmice sau să excludă teorii alternative. Dar, datorită unui nou studiu realizat de o echipă de astronomi de la Universitatea Harvard și Centrul de Astrofizică Harvard-Smithsonian (CfA), oamenii de știință ar putea avea un nou mijloc de testare una dintre părțile cheie ale modelului cosmologic Big Bang.
Lucrarea lor, intitulată „Amprentele unice ale alternativelor la inflația în spectrul primordial al puterii”, a apărut recent online și este luată în considerare pentru publicarea în Scrisori de revizuire fizică. Studiul a fost realizat de Xingang Chen și Abraham Loeb - lector principal la Universitatea Harvard și, respectiv, catedra de Frank D. Baird de Astronomie la Universitatea Harvard - și Zhong-Zhi Xianyu, coleg postdoctoral cu Departamentul de Fizică al Universității Harvard.
Pentru a recaperi, în cosmologia fizică, teoria inflației cosmice afirmă că la 10-36 secunde după Big Bang, singularitatea în care toată materia și energia era concentrată a început să se extindă. Se consideră că această „epocă inflaționistă” a durat până la 10-33 la 10-32 secunde după Big Bang; după care, Universul a început să se extindă mai încet. În conformitate cu această teorie, expansiunea inițială a Universului a fost mai rapidă decât viteza luminii.
Teoria conform căreia a existat o astfel de epocă este utilă pentru cosmologi, deoarece ajută la explicarea motivului pentru care Universul are aproape aceleași condiții în regiuni care sunt foarte îndepărtate unele de altele. Practic, dacă cosmosul provine dintr-un volum mic de spațiu care a fost umflat pentru a deveni mai mare decât putem observa în prezent, ar explica de ce structura pe scară largă a Universului este aproape uniformă și omogenă.
Cu toate acestea, aceasta nu este în niciun caz singurele explicații despre cum a ajuns Universul și capacitatea de a falsifica oricare dintre ele a lipsit istoric. După cum a spus profesorul Abraham Loeb la Space Magazine prin e-mail:
„Deși multe proprietăți observate ale structurilor din universul nostru sunt în concordanță cu scenariul inflației, există atât de multe modele de inflație încât este dificil de falsificat. Inflația a dus, de asemenea, la noțiunea multiversului în care orice se poate întâmpla se va întâmpla de nenumărate ori și o astfel de teorie este imposibil de falsificat prin experimente, care este marca fizicii tradiționale. Până acum, există scenarii concurente care nu implică inflație, în care universul se contractă mai întâi și apoi se salută în loc să înceapă de la un Big Bang. Aceste scenarii ar putea să se potrivească cu observabilele actuale ale inflației. ”
De dragul studiului lor, Loeb și colegii săi au dezvoltat un mod independent de model de a distinge inflația de scenarii alternative. În esență, ei propun că câmpurile masive din universul primordial ar experimenta fluctuații cuantice și perturbări ale densității care ar înregistra direct scara Universului timpuriu în funcție de timp - adică ar acționa ca un fel de „ceas standard al Universului”.
Măsurând semnalele pe care le prezic că vor proveni din aceste câmpuri, ei consideră că cosmologii ar fi capabili să spună dacă s-au însămânțat variații ale densității în timpul contractării sau în faza de extindere a Universului timpuriu. Acest lucru le-ar permite în mod eficient să excludă alternative la inflația cosmică (cum ar fi scenariul Big Bounce). După cum a explicat Loeb:
„În majoritatea scenariilor este firesc să existe un câmp masiv în universul timpuriu. Perturbațiile din câmpul masiv pe o anumită scară spațială oscilează în timp ca o bilă care merge în sus și în jos într-un puț potențial, unde masa dictează frecvența oscilațiilor. Dar evoluția perturbațiilor depinde și de scala spațială luată în considerare, precum și de factorul de scară de fond (care crește exponențial în timpul modelelor generice de inflație, dar scade în modelele de contractare). "
Aceste tulburări, a spus Loeb, ar fi sursa oricăror variații de densitate observate de astronomii din revista Space. Modul în care s-au conturat aceste variații poate fi determinat prin respectarea universului de fundal - în special, dacă se extinde sau se contracta, dintre care astronomi pot distinge.
„În metafora mea, factorul de scară al universului afectează ritmul cu care o bandă este trasă pe măsură ce ceasul lasă marcaje pe ea”, a adăugat Loeb. „Noul semnal pe care-l prezicem imprimat cu privire la modul în care nivelul de non-uniformități din univers se schimbă cu scara spațială.”
Pe scurt, Loeb și colegii săi au identificat un semnal potențial care poate fi măsurat folosind instrumente actuale. Acestea includ cele care au studiat fundalul cu microunde cosmice (CMB) - cum ar fi ESA Planck observator spațial - și cele care au efectuat sondaje asupra galaxiilor - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, telescopul Dragonfly etc.
În studiile anterioare, s-a sugerat că variațiile de densitate în Universul primordial ar putea fi detectate căutând dovezi ale negaussianităților, care sunt corecții pentru estimarea funcției gaussiene pentru măsurarea unei cantități fizice - în acest caz, CMB. Dar, după cum a spus Loeb, acestea încă nu au fost depistate:
„Noul semnal oscilator se află în spectrul de putere al perturbațiilor de densitate primordială (care se măsoară în mod obișnuit din fondul cosmic cu microunde [CMB] sau din sondajele galaxiei), în timp ce sugestiile anterioare din literatura de specialitate implicau efecte legate de non-Gaussianități, care sunt mult mai multe provocatoare de măsurat (și nu au fost depistate încă). Rezultatele prezentate în lucrarea noastră sunt foarte oportune, deoarece seturile de date extinse sunt colectate prin noi observații ale anizotropiilor CMB și sondajelor galaxiei. "
Înțelegerea modului în care a început Universul nostru este probabil cea mai fundamentală întrebare din știință și cosmologie. Dacă prin aplicarea acestei metode, se pot exclude explicații alternative pentru modul în care Universul a început, ne va aduce cu un pas mai aproape de determinarea originilor timpului, spațiului și vieții. Întrebările „de unde venim?” și „cum a început totul?” poate avea în sfârșit un răspuns definitiv!
