Как «квантовая пена» могла раздуть раннюю Вселенную.
Ранняя вселенная пережила фазу быстрого расширения, известную как инфляция. Десятилетиями космологи предполагали, что это расширение было вызвано новой сущностью во вселенной, известной как инфлатон. Но новые исследования показывают, что, возможно, было возможно раздуть вселенную без чего-либо нового, подпитывающего эту инфляцию.
В 1970-х годах физик Алан Гут придумал радикальную картину чрезвычайно ранней Вселенной. Первоначально намереваясь решить некоторые проблемные свойства, демонстрируемые физикой высоких энергий в молодой, плотной, горячей Вселенной, он придумал модель, в которой новое квантовое поле, названное инфлатоном, питало короткий, но интенсивный период колоссально ускоренного расширения, раздувая Вселенную на много порядков величины менее чем за секунду.
Инфляция сохранилась как сильная гипотеза ранней Вселенной, потому что она решает много проблем сразу. Во-первых, она объясняет, почему космос кажется геометрически плоским: он настолько большой, что, несмотря на его общую кривизну, любой участок Вселенной будет казаться плоским. Она также объясняет, почему области Вселенной, разделенные огромными расстояниями, примерно одинаковы: они познакомились друг с другом до того, как инфляция разорвала их на части.
Самое важное, инфляция объясняет, как мы получили наши крупномасштабные структуры. Акт инфляции взял квантовую пену пространства-времени и расширил ее до больших масштабов, заложив гравитационные семена, которые когда-нибудь вырастут в звезды, галактики и космическую паутину.
Но тайны остаются. Мы не знаем, что такое инфлатон, что его питало или почему он выключился, когда это произошло. И у нас нет убедительных доказательств того, что инфляция действительно произошла.
В свете этих проблем, возможно, есть способ воспроизвести наблюдаемые особенности Вселенной без необходимости в инфлатоне. В недавней статье астрофизики описывают модель, в которой происходит инфляция, приводящая к крупномасштабной структуре Вселенной, без чего-либо нового, приводящего ее в действие.
Модель начинается с описания пространства, которое расширяется из-за космологической постоянной, во многом похожей на темную энергию, которую мы наблюдаем в современном космосе. На этом фоне квантовая пена делает свое обычное дело, а именно встряхивает пространство-время в субмикроскопических масштабах.
Эти флуктуации создают гравитационные волны, которые являются рябью, распространяющейся наружу через пространство. Гравитационные волны сами по себе не могут сформировать семена современных структур, потому что они оказывают неправильное влияние на пространство-время.
Но исследователи обнаружили, что при правильных условиях гравитационные волны, вызванные квантовой пеной, иногда могут генерировать именно тот тип деформаций в пространстве. В частности, они искали деформации, которые были примерно одинаковыми на многих различных масштабах длины. Мы знаем, что семена структуры должны были иметь такой рисунок, потому что это именно то, что мы наблюдаем в космическом микроволновом фоне, остаточном световом рисунке с того времени, когда Вселенной было всего 380 000 лет. Это послесвечение сохраняет отпечаток тех ранних структур, и мы можем использовать его для изучения моделей инфляции.
Существуют небольшие различия между типами структур, созданных в этом сценарии инфляции без инфляции и традиционной инфляции. В этой статье исследователи не вычисляли, насколько сильны эти различия, но важным следующим шагом является изучение наблюдаемых последствий этой модели.
Модель не идеальна. Она все еще предполагает что-то о ранней Вселенной — а именно, что космологическая константа достаточно сильна, чтобы привести к быстрому расширению космоса. И она не объясняет проблему плоскостности или почему отдаленные участки Вселенной примерно одинаковы. Но это интригующее направление исследований, потому что оно может открыть некоторые потенциально полезные альтернативные окна, которые не полагаются на инфлатон для питания изменений в ранней Вселенной.
Молодой космос остается огромной загадкой в современной космологии. И хотя мы думаем, что находимся на правильном пути — действительно похоже, что Вселенная пережила период быстрого расширения — нам еще многое предстоит узнать.
Прочитайте что такое взгляд в будущее
Читайте ещё статьи из Рубрики: инновации-технологии-наука