Исследование: какой была Вселенная до Большого Взрыва?

Исследование: какой была Вселенная до Большого Взрыва?

Команда ученых предложила новый мощный тест на инфляцию, теорию о том, что Вселенная резко увеличилась в размерах за мимолетную долю секунды сразу после Большого взрыва. Их цель - дать представление о давнем вопросе: какой была Вселенная до Большого Взрыва? Хотя космическая инфляция хорошо известна тем, что раскрывает некоторые важные тайны о структуре и эволюции Вселенной, эти тайны могут быть объяснены и другими очень разными теориями.

В некоторых из этих теорий состояние вселенной до Большого взрыва - так называемой изначальной вселенной - сокращалось, а не расширялось, и, таким образом, Большой взрыв был частью Большого отскока. Для того чтобы решить, следует ли выбирать между инфляцией и этими другими идеями, неизбежно возник вопрос о фальсификации, т.е. о том, можно ли проверить теорию, чтобы доказать, что она является ложной. Некоторые исследователи, включая Ави Лоеба из Центра астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс, выразили озабоченность по поводу инфляции, предположив, что ее кажущаяся бесконечной адаптивность делает ее практически невозможной для надлежащего тестирования.


«Фальсификация должна быть отличительной чертой любой научной теории. Нынешняя ситуация с инфляцией заключается в том, что это такая гибкая идея, которую нельзя фальсифицировать экспериментально», - сказал Лоеб. «Независимо от того, какую ценность люди измеряют для какого-то наблюдаемого атрибута, всегда есть модели инфляции, которые могут объяснить это». Теперь команда ученых применила идею "первобытных стандартных часов» к неинфляционным теориям и разработали метод, который может быть использован для экспериментальной фальсификации инфляции. В попытке найти какую-то характеристику, которая может отделить инфляцию от других теорий, команда начала с определения определяющего свойства различных теорий - эволюции размеров исконной вселенной.

«Например, во время инфляции размер вселенной растет в геометрической прогрессии», - сказал Сяньюй. «В некоторых альтернативных теориях размер вселенной сокращается. Некоторые делают это очень медленно, в то время как другие делают это очень быстро». «Атрибуты, предложенные до сих пор людьми для измерения, обычно трудно различить между различными теориями, потому что они не имеют прямого отношения к эволюции размеров исконной вселенной», - продолжил он. «Итак, мы хотели узнать, какие наблюдаемые признаки могут быть непосредственно связаны с этим определяющим свойством». Сигналы, генерируемые изначально стандартными часами, могут служить именно для этой цели. Эти часы - любой тип тяжелой элементарной частицы в первозданной вселенной. Такие частицы должны существовать в любой теории и их положение должно колебаться на определенной регулярной частоте, подобно тиканию маятника часов.

Первобытная вселенная не была полностью однородной. Были крошечные неровности плотности на мизерных масштабах, которые стали семенами крупномасштабной структуры, наблюдаемой в сегодняшней вселенной. Это основной источник информации, на который полагаются физики, чтобы узнать о том, что произошло до Большого взрыва. Тики стандартных часов генерировали сигналы, которые были запечатлены в структуре этих отклонений. Стандартные часы в различных теориях изначальной вселенной предсказывают различные закономерности сигналов, потому что эволюционные истории Вселенной разные.


«Если мы представим, что вся информация о том, что произошло до Большого взрыва, содержится в кадрах фильма, то стандартные часы покажут нам, как эти кадры должны воспроизводиться», - объяснил Чен. «Не имея никакой информации о часах, мы не знаем, должен ли фильм воспроизводиться вперед или назад, быстро или медленно, точно так же, как мы не уверены, надувалась ли исконная вселенная или сокращалась, и как быстро она это делала. В этом и заключается проблема. Стандартные часы ставят метки времени на каждый из этих кадров, когда фильм был снят до Большого Взрыва, и рассказывают нам, как играть в фильм». Группа рассчитала, как эти стандартные тактовые сигналы должны выглядеть в неинфляционных теориях, и предложила, как их искать в астрофизических наблюдениях. «Если бы была найдена закономерность сигналов, представляющих сокращающуюся вселенную, это фальсифицировало бы всю инфляционную теорию», - сказал Сяньюй.

Успех этой идеи заключается в экспериментах. «Эти сигналы будут очень тонкими, чтобы обнаружить, - сказал Чен, - и поэтому нам, возможно, придется искать их в разных местах». Одним из таких мест является космическое микроволновое фоновое излучение, а другим - распределение галактик. Мы уже начали искать эти сигналы, и уже есть несколько интересных кандидатов, но нам нужно больше данных». Ожидается, что многие будущие исследования галактик, такие как LSST, возглавляемая США, Euclid из Европы и недавно утвержденный проект NASA, SphereX, обеспечат высокое качество данных, которые могут быть использованы для достижения этой цели.