Volgens het Big Bang-kosmologische model begon ons universum 13,8 miljard jaar geleden toen alle materie en energie in de kosmos begon uit te breiden. Aangenomen wordt dat deze periode van "kosmische inflatie" verantwoordelijk is voor de grootschalige structuur van het heelal en waarom de ruimte en de kosmische microgolfachtergrond (CMB) grotendeels uniform lijken te zijn in alle richtingen.
Tot op heden is er echter geen bewijs gevonden dat het kosmische inflatiescenario definitief kan bewijzen of alternatieve theorieën kan uitsluiten. Maar dankzij een nieuwe studie door een team van astronomen van de Harvard University en het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), hebben wetenschappers mogelijk een nieuw middel om een van de belangrijkste onderdelen van het kosmologische model van Big Bang te testen.
Hun paper, getiteld "Unique Fingerprints of Alternatives to Inflation in the Primordial Power Spectrum", verscheen onlangs online en wordt overwogen voor publicatie in de Fysieke beoordelingsbrieven. De studie werd uitgevoerd door Xingang Chen en Abraham Loeb - een senior docent aan de Harvard University en respectievelijk de Frank D. Baird Chair of Astronomy aan de Harvard University - en Zhong-Zhi Xianyu, een postdoctorale fellow bij de afdeling Natuurkunde aan de Harvard University.
Samenvattend, in de fysische kosmologie stelt de theorie van de kosmische inflatie dat op 10-36 seconden na de oerknal begon de eigenheid waarin alle materie en energie geconcentreerd was, uit te breiden. Dit 'inflatoire tijdperk' zou tot 10 uur hebben geduurd-33 tot 10-32 seconden na de oerknal; waarna het heelal langzamer begon uit te breiden. Volgens deze theorie was de aanvankelijke uitdijing van het heelal sneller dan de lichtsnelheid.
De theorie dat zo'n tijdperk bestond, is nuttig voor kosmologen omdat het helpt verklaren waarom het heelal bijna dezelfde omstandigheden heeft in regio's die ver van elkaar verwijderd zijn. Kortom, als de kosmos afkomstig was van een klein volume van ruimte dat opgeblazen was om groter te worden dan we nu kunnen waarnemen, zou dit verklaren waarom de grootschalige structuur van het heelal bijna uniform en homogeen is.
Dit is echter zeker niet de enige verklaring voor hoe het universum is ontstaan, en het vermogen om een van deze te vervalsen ontbrak historisch. Professor Abraham Loeb vertelde Space Magazine via e-mail:
“Hoewel veel waargenomen eigenschappen van de structuren binnen ons universum consistent zijn met het inflatiescenario, zijn er zoveel inflatiemodellen dat het moeilijk te vervalsen is. Inflatie leidde ook tot het idee van het multiversum waarin alles wat kan gebeuren een oneindig aantal keren zal gebeuren, en een dergelijke theorie is onmogelijk te vervalsen door experimenten, wat het handelsmerk is van de traditionele fysica. Inmiddels zijn er concurrerende scenario's zonder inflatie, waarbij het universum eerst samentrekt en dan weer stuitert in plaats van te beginnen bij een oerknal. Deze scenario's kunnen overeenkomen met de huidige waarneembare inflatie. ”
Omwille van hun onderzoek ontwikkelden Loeb en zijn collega's een modelonafhankelijke manier om inflatie te onderscheiden van alternatieve scenario's. In wezen stellen ze voor dat enorme velden in het oorspronkelijke universum kwantumfluctuaties en verstoringen in de dichtheid zouden ervaren die de schaal van het vroege heelal rechtstreeks zouden registreren als een functie van tijd - dat wil zeggen dat ze zouden fungeren als een soort 'standaardklok van het heelal'.
Door de signalen te meten waarvan ze voorspellen dat ze uit deze velden zouden komen, veronderstellen ze dat kosmologen zouden kunnen zien of er variaties in dichtheid zijn ontstaan tijdens een samentrekkende of een uitdijende fase van het vroege heelal. Dit zou hen effectief in staat stellen alternatieven voor kosmische inflatie uit te sluiten (zoals het Big Bounce-scenario). Zoals Loeb uitlegde:
“In de meeste scenario's is het normaal dat er een enorm veld is in het vroege heelal. De verstoringen in het massieve veld op een bepaalde ruimtelijke schaal oscilleren in de tijd als een bal die op en neer gaat in een potentiële put, waar de massa de frequentie van de oscillaties dicteert. Maar de evolutie van de verstoringen hangt ook af van de ruimtelijke schaal die wordt overwogen en van de achtergrondschaalfactor (die exponentieel toeneemt tijdens generieke inflatiemodellen maar afneemt bij contracterende modellen). ”
Deze verstoringen, zei Loeb, zouden de oorzaak zijn van eventuele dichtheidsvariaties die door astronomen in het Space Magazine zijn waargenomen. Hoe deze variaties werden gevormd, kan worden bepaald door het achtergronduniversum te observeren - met name of het uitdijde of samentrok, waartoe astronomen een onderscheid kunnen maken.
"In mijn metafoor beïnvloedt de schaalfactor van het universum de snelheid waarmee een band wordt getrokken terwijl de klok er vinkjes op achterlaat", voegde Loeb eraan toe. "Het nieuwe signaal dat we voorspellen, is ingeprent op hoe het niveau van niet-uniformiteiten in het universum verandert met ruimtelijke schaal."
Kortom, Loeb en zijn collega's identificeerden een potentieel signaal dat met huidige instrumenten kon worden gemeten. Deze omvatten degenen die de kosmische magnetronachtergrond (CMB) hebben bestudeerd, zoals de ESA's Planck ruimteobservatorium - en degenen die sterrenstelselonderzoeken hebben uitgevoerd - de Sloan Digital Sky Survey, de VLT Survey Telescope, de Dragonfly-telescoop, enz.
In eerdere studies is gesuggereerd dat dichtheidsvariaties in het primordiale heelal kunnen worden opgespoord door te zoeken naar bewijs van niet-Gaussianiteiten, die correcties zijn voor de Gaussiaanse functieraming voor het meten van een fysieke grootheid - in dit geval de CMB. Maar zoals Loeb het uitdrukte, deze moeten nog worden ontdekt:
“Het nieuwe oscillerende signaal bevindt zich in het vermogensspectrum van verstoringen van de oerdichtheid (dat routinematig wordt gemeten aan de hand van de kosmische microgolfachtergrond [CMB] of melkwegonderzoeken), terwijl eerdere suggesties in de literatuur betrekking hadden op effecten gerelateerd aan niet-Gaussianiteiten, die veel meer zijn uitdagend om te meten (en nog niet ontdekt). De resultaten die in ons artikel worden gepresenteerd, zijn zeer actueel, aangezien uitgebreide gegevenssets worden verzameld door nieuwe waarnemingen van de CMB-anisotropieën en sterrenstelselonderzoeken. "
Begrijpen hoe ons universum is begonnen, is misschien wel de meest fundamentele vraag in wetenschap en kosmologie. Als door deze methode toe te passen, alternatieve verklaringen voor het ontstaan van het heelal kunnen worden uitgesloten, zal dit ons een stap dichter bij het bepalen van de oorsprong van tijd, ruimte en het leven zelf brengen. De vragen 'waar komen we vandaan?' en "hoe is het allemaal begonnen?" kan eindelijk een definitief antwoord hebben!
