Група науковців запропонувала новий переконливий тест інфляції — теорії про те, що розміри Всесвіту дуже швидко зросли за коротку мить одразу після Великого Вибуху. Мета дослідників полягає в тому, щоб дати відповідь на давнє питання: яким був Всесвіт до Великого Вибуху?

Хоча теорія космічної інфляції дає змогу вирішити деякі важливі таємниці щодо структури та еволюції Всесвіту, інші дуже різні теорії також можуть їх пояснити. Згідно з деякими з цих теорій так званий первинний всесвіт (primordial universe) до Великому Вибуху стискався, а не розширювався, і Великий Вибух, отже, був частиною Великого Відскоку (Big Bounce).

Щоб визначитися, яка теорія правильна, — інфляція чи якась інша — треба вирішити питання їх фальсифікованості. Тобто з’ясувати, чи можна перевірити теорію так, щоб показати, що вона є хибною. Деякі дослідники, зокрема Аві Лоеб (Avi Loeb) з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (Center for Astrophysics, CfA) в Кембриджі (штат Массачусетс), висловили занепокоєння з приводу інфляції, вважаючи, що її, здавалося б, сильна пристосованість робить тестування неможливим.

«Фальсифікованість має бути обов’язковою ознакою будь-якої наукової теорії. Нинішня ситуація з інфляцією полягає в тому, що вона є такою гнучкою ідеєю, яку не можна фальсифікувати експериментально», — сказав Лоеб. «Незалежно від того, як люди виконують оцінку деяких спостережуваних властивостей, завжди існують деякі моделі інфляції, які можна перевірити».

Група науковців на чолі з Сінґанґом Ченом (Xingang Chen) з CfA, а також Лоеб та Чжун-Чжи Сяньюй (Zhong-Zhi Xianyu) з фізичного факультету Гарвардського університету, застосували ідею (вони називають її «первинний стандартний годинник», primordial standard clock) до неінфляційних теорій і запропонували метод, який можна використати для експериментальної перевірки теорії інфляції.

Прагнучи знайти якусь характеристику, яка б дала можливість відокремити інфляцію від інших теорій, науковці почали з виявлення визначальної властивості різних теорій — зміни розмірів первинного всесвіту.

«Наприклад, під час інфляції розмір Всесвіту зростає в геометричній прогресії», — сказав Сяньюй. «У деяких альтернативних теоріях розмір Всесвіту зменшується. Деякі з них (теорії — Ред.) роблять це дуже повільно, а інші роблять це дуже швидко».

«З властивостями, які досі пропонувалися для вимірювання, зазвичай є проблеми в сенсі їх виділення серед різних теорій, оскільки вони прямо не пов’язані з еволюцією розмірів первинного всесвіту», — додав Сяньюй. «Отже, ми хотіли знайти спостережувані характеристики, які можуть бути прямо пов’язані з цією властивістю».

Ілюстрація сигналів годинника для двох різних сценаріїв еволюції Всесвіту — стиснення (зверху) і розширення (знизу). Фото з сайту https://arxiv.org/pdf/1809.02603.pdf.

Сигнали, які генерує первинний стандартний годинник, можуть служити такій меті. Цей годинник — будь-який тип важкої елементарної частинки в первинному всесвіті. Такі частинки мають існувати в будь-якій теорії, а їхні місця розташування повинні коливатися на певній частоті, подібно до цокання маятника годинника.

Первинний Всесвіт був не зовсім однорідним. Існували крихітні розбіжності значення густини на мізерних масштабах, що стали «зародками» великомасштабної структури, яка існує в сучасному Всесвіті. Це основне джерело інформації, на яку фізики покладаються, щоб дізнатися про те, що сталося до Великого Вибуху. Цокання стандартного годинника генерувало сигнали, які зафіксувалися в структурі цих нерівностей. У різних теоріях первинного Всесвіту стандартні годинники мають давати не однакові сигнали, бо еволюційні історії Всесвіту в теоріях також не однакові.

«Якщо уявити, що вся інформація, яку ми дізналися досі про Всесвіт до Великого Вибуху, — це рулон кінокадрів, то стандартний годинник вказує нам, як ці кадри треба відтворювати», — пояснив Чен. «Без інформації про годинник, ми не знаємо, чи треба фільм відтворювати вперед або назад, швидко або повільно, так само, як ми не впевнені, що первинний всесвіт розширювався або стискався, і як швидко це відбувалося. Тобто, в цьому проблема. Стандартний годинник залишив на кожному з цих кадрів відмітку під час знімання фільму до Великого Вибуху, і вказує нам, як дивитися фільм».

Науковці з’ясували, який вигляд мають ці стандартні сигнали в неінфляційних теоріях, і запропонував, як їх шукати під час астрономічних спостережень. «Якщо буде знайдено сигнали, які вказуватимуть на всесвіт, що стискається, це привело б до фальсифікації інфляційної теорії», — сказав Сяньюй.

Успіх цієї ідеї полягає в експериментах. «Ці сигнали дуже малі, щоб їх виявити, — сказав Чен, - і тому доведеться вести пошук в багатьох різних місцях. Космічне мікрохвильове фонове випромінювання — одне з таких, а розподіл галактик — друге. Ми вже почали шукати ці сигнали і вже є цікаві кандидати, але нам потрібно більше даних».

Науковці вважають, що майбутні космічні місії з досліджень галактик, такі як LSST (Large Synoptic Survey Telescope, Великий оглядовий телескоп), Euclid («Евклід») та нещодавно затверджений проект NASA, SphereX (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explore, Спектрофотометр для дослідження історії Всесвіту, епохи реіонізаціі і льодів), забезпечать високу якість даних, які можна буде використати для досягнення мети.

За інф. з сайту www.cfa.harvard.edu