Ένα νέο τεστ για την κορυφαία θεωρία του Big Bang
Η κύρια υπόθεση για τη γέννηση του σύμπαντος - ότι ένα κβαντικό κομμάτι του διαστήματος ενεργοποιήθηκε και διογκώθηκε σε κλάσματα του δευτερολέπτου, δημιουργώντας ένα μωρό σύμπαν - λύνει πολλούς γρίφους και ταιριάζει με όλες τις μέχρι σήμερα παρατηρήσεις. Ωστόσο, αυτή η υπόθεση του «κοσμικού πληθωρισμού» στερείται οριστικής απόδειξης. Ενδεικτικοί κυματισμοί που θα έπρεπε να είχαν σχηματιστεί στον διογκούμενο χωρικό ιστό, γνωστοί ως αρχέγονα βαρυτικά κύματα, δεν έχουν εντοπιστεί στη γεωμετρία του σύμπαντος από τα πιο ευαίσθητα τηλεσκόπια του κόσμου. Η απουσία τους έχει τροφοδοτήσει τις αουτσάιντερ θεωρίες της κοσμογένεσης τα τελευταία χρόνια. Και όμως ο κοσμικός πληθωρισμός είναι τραχύς. Σε πολλές παραλλαγές της ιδέας, οι περιζήτητοι κυματισμοί θα ήταν απλώς πολύ αδύναμοι για να παρατηρηθούν.
«Το ερώτημα είναι αν μπορεί κανείς να δοκιμάσει ολόκληρο το σενάριο [πληθωρισμού], όχι μόνο συγκεκριμένα μοντέλα», δήλωσε ο Avi Loeb, αστροφυσικός και κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Αν δεν υπάρχει γκιλοτίνα που μπορεί να σκοτώσει ορισμένες θεωρίες, τότε ποιο είναι το νόημα;"
Σε μια νέα δημοσίευση που εμφανίστηκε στον ιστότοπο προεκτύπωσης φυσικής, arxiv.org, την Κυριακή, ο Loeb και δύο συνάδελφοί του από το Χάρβαρντ, ο Xingang Chen και ο Zhong-Zhi Xianyu, πρότειναν μια τέτοια γκιλοτίνα. Οι ερευνητές προέβλεψαν ένα ταλαντευτικό μοτίβο στην κατανομή της ύλης σε όλο το σύμπαν που, αν εντοπιστεί, θα μπορούσε να διακρίνει μεταξύ πληθωρισμού και εναλλακτικών σεναρίων — ιδιαίτερα την υπόθεση ότι η Μεγάλη Έκρηξη ήταν στην πραγματικότητα μια αναπήδηση που προηγήθηκε από μια μακρά περίοδο συστολής.
Η εργασία δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, αλλά ο Will Kinney, πληθωριστικός κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο και επισκέπτης καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης, είπε ότι «η ανάλυση μου φαίνεται σωστή». Ονόμασε την πρόταση «μια πολύ κομψή ιδέα».
"Εάν το σήμα είναι πραγματικό και παρατηρήσιμο, θα ήταν πολύ ενδιαφέρον", δήλωσε ο Sean Carroll του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια σε ένα email.
Οποιεσδήποτε πιθανές υποδείξεις για τη Μεγάλη Έκρηξη αξίζει να αναζητηθούν, αλλά το κύριο ερώτημα, σύμφωνα με τους ειδικούς, είναι εάν το υποτιθέμενο ταλαντευτικό μοτίβο θα είναι αρκετά ισχυρό για να ανιχνευθεί. Μπορεί να μην είναι μια ξεκάθαρη γκιλοτίνα όπως διαφημίζεται.
Εάν υπάρχει, το σήμα θα εμφανιζόταν σε διακυμάνσεις πυκνότητας σε όλο το σύμπαν. Φανταστείτε να παίρνετε μια γιγάντια σέσουλα παγωτού στον ουρανό και να μετράτε πόσους γαλαξίες καταλήγουν μέσα. Κάνετε αυτό πολλές φορές σε όλο το σύμπαν και θα διαπιστώσετε ότι ο αριθμός των γαλαξιών θα ποικίλλει πάνω ή κάτω από κάποιο μέσο όρο. Τώρα αυξήστε το μέγεθος της σέσουλας σας. Όταν συλλέγετε μεγαλύτερους όγκους του σύμπαντος, μπορεί να διαπιστώσετε ότι ο αριθμός των γαλαξιών που έχουν συλληφθεί ποικίλλει τώρα πιο εξαιρετικά από πριν. Καθώς χρησιμοποιείτε προοδευτικά μεγαλύτερες σέσουλες, σύμφωνα με τους υπολογισμούς των Chen, Loeb και Xianyu, το πλάτος των διακυμάνσεων της πυκνότητας της ύλης θα πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ περισσότερο και λιγότερο ακραίων καθώς ανεβείτε στην κλίμακα. «Αυτό που δείξαμε», εξήγησε ο Loeb, είναι ότι από τη μορφή αυτών των ταλαντώσεων, «μπορείτε να καταλάβετε εάν το σύμπαν διαστέλλεται ή συστέλλεται όταν παράγονται οι διαταραχές της πυκνότητας» — αντανακλώντας μια πληθωριστική ή κοσμολογία αναπήδησης, αντίστοιχα.
Ανεξάρτητα από το ποια θεωρία της κοσμογένεσης είναι σωστή, οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι οι διακυμάνσεις της πυκνότητας που παρατηρούνται σε όλο τον κόσμο σήμερα σχεδόν σίγουρα προήλθαν από τυχαίους κυματισμούς σε κβαντικά πεδία που υπήρχαν εδώ και πολύ καιρό.
Εξαιτίας της κβαντικής αβεβαιότητας, οποιοδήποτε κβαντικό πεδίο που γέμιζε το αρχέγονο σύμπαν θα είχε διακυμάνσεις με κυματισμούς όλων των διαφορετικών μηκών κύματος. Περιοδικά, κύματα ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος θα είχαν εποικοδομητική παρέμβαση, σχηματίζοντας κορυφές — ή ισοδύναμα, συγκεντρώσεις σωματιδίων. Αυτές οι συγκεντρώσεις αργότερα αυξήθηκαν στις διακυμάνσεις της πυκνότητας της ύλης που παρατηρούνται σε διαφορετικές κλίμακες στον κόσμο σήμερα.
Αλλά τι έκανε τις κορυφές σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος να παγώσουν στο σύμπαν όταν το έκαναν; Σύμφωνα με το νέο έγγραφο, ο χρονισμός εξαρτιόταν από το αν οι κορυφές σχηματίζονταν ενώ το σύμπαν διαστέλλεται εκθετικά, όπως στα μοντέλα πληθωρισμού, ή ενώ συρρικνώνεται αργά, όπως στα μοντέλα αναπήδησης.
Εάν το σύμπαν συρρικνώθηκε στην πορεία προς μια αναπήδηση, οι κυματισμοί στα κβαντικά πεδία θα είχαν συμπιεστεί. Κάποια στιγμή το παρατηρήσιμο σύμπαν θα είχε συστέλλεται σε μέγεθος μικρότερο από κυματισμούς συγκεκριμένου μήκους κύματος, όπως ένα βιολί του οποίου η κοιλότητα συντονισμού είναι πολύ μικρή για να παράγει τους ήχους ενός τσέλο. Όταν εξαφανίστηκαν οι πολύ μεγάλοι κυματισμοί, όποιες κορυφές ή συγκεντρώσεις σωματιδίων, υπήρχαν σε εκείνη την κλίμακα εκείνη τη στιγμή θα είχαν «παγώσει» στο σύμπαν. Καθώς το παρατηρήσιμο σύμπαν συρρικνώθηκε περαιτέρω, οι κυματισμοί σε προοδευτικά μικρότερες και μικρότερες κλίμακες θα είχαν εξαφανιστεί, παγώνοντας ως διακυμάνσεις της πυκνότητας. Κυματισμοί ορισμένων μεγεθών μπορεί να παρεμβαίνουν εποικοδομητικά την κρίσιμη στιγμή, δημιουργώντας διακυμάνσεις της μέγιστης πυκνότητας σε αυτήν την κλίμακα, ενώ ελαφρώς μικρότεροι κυματισμοί που εξαφανίστηκαν μια στιγμή αργότερα μπορεί να είχαν παγώσει εκτός φάσης. Αυτές είναι οι ταλαντώσεις μεταξύ παραλλαγών υψηλής και χαμηλής πυκνότητας που οι Chen, Loeb και Xianyu υποστηρίζουν ότι θεωρητικά θα πρέπει να εμφανίζονται καθώς αλλάζετε το μέγεθος της σέσουλας παγωτού γαλαξία.
Αυτές οι ταλαντώσεις θα προέκυπταν επίσης εάν το σύμπαν αντιμετώπιζε μια περίοδο ραγδαίου πληθωρισμού. Σε αυτή την περίπτωση, καθώς μεγάλωνε και μεγάλωνε, θα μπορούσε να χωρέσει κβαντικούς κυματισμούς με όλο και μεγαλύτερα μήκη κύματος. Οι διακυμάνσεις της πυκνότητας θα είχαν αποτυπωθεί στο σύμπαν σε κάθε κλίμακα τη στιγμή που μπορούσαν να σχηματιστούν κυματισμοί αυτού του μεγέθους.
Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι μια ποιοτική διαφορά μεταξύ των μορφών ταλαντώσεων στα δύο σενάρια θα αποκαλύψει ποιο συνέβη. Και στις δύο περιπτώσεις, ήταν σαν το κβαντικό πεδίο να έβαλε σημάδια σε ένα κομμάτι ταινίας καθώς περνούσε βιαστικά - αντιπροσωπεύοντας το σύμπαν που διαστέλλεται ή συστέλλεται. Εάν το διάστημα επεκτείνονταν εκθετικά, όπως στον πληθωρισμό, τα σημάδια που αποτυπώθηκαν στο σύμπαν από το πεδίο θα είχαν απομακρυνθεί όλο και περισσότερο. Εάν το σύμπαν συρρικνώθηκε, τα σημάδια των κροτώνων θα έπρεπε να πλησιάζουν ολοένα και περισσότερο ανάλογα με την κλίμακα. Έτσι οι Chen, Loeb και Xianyu υποστηρίζουν ότι ο μεταβαλλόμενος διαχωρισμός μεταξύ των κορυφών στις διακυμάνσεις της πυκνότητας ως συνάρτηση της κλίμακας θα πρέπει να αποκαλύψει την εξελικτική ιστορία του σύμπαντος. «Μπορούμε επιτέλους να δούμε αν το αρχέγονο σύμπαν διαστέλλεται πραγματικά ή συστέλλεται και αν το έκανε πληθωριστικά γρήγορα ή εξαιρετικά αργά», είπε ο Τσεν.
Το πώς ακριβώς μπορεί να μοιάζει το ταλαντευτικό σήμα και πόσο ισχυρό μπορεί να είναι, εξαρτώνται από την άγνωστη φύση των κβαντικών πεδίων που μπορεί να το δημιούργησαν. Η ανακάλυψη ενός τέτοιου σήματος θα μας έλεγε για αυτά τα αρχέγονα κοσμικά συστατικά. Όσον αφορά το αν το υποτιθέμενο σήμα θα εμφανιστεί καθόλου σε μελλοντικές έρευνες γαλαξιών, «τα καλά νέα», σύμφωνα με τον Kinney, είναι ότι το σήμα είναι πιθανώς «πολύ, πολύ πιο εύκολο να ανιχνευθεί» από άλλα σήματα που αναζητούνται που ονομάζονται «μη Gaussianities»:τρίγωνα και άλλες γεωμετρικές διατάξεις της ύλης στον ουρανό που θα επαληθεύουν και θα αποκαλύπτουν επίσης λεπτομέρειες του πληθωρισμού. Τα κακά νέα, ωστόσο, "είναι ότι η ισχύς και η μορφή του σήματος εξαρτώνται από πολλά πράγματα που δεν γνωρίζετε", είπε ο Kinney, όπως σταθερές των οποίων οι τιμές μπορεί να είναι μηδέν, και είναι απολύτως πιθανό ότι "θα δεν υπάρχει ανιχνεύσιμο σήμα."
