Что случилось до Большого Взрыва?

Команда ученых предложила новую теорию космической инфляции, в рамках которой Вселенная резко увеличилась в размерах за мгновение после Большого Взрыва. Их цель — дать представление об извечном вопросе: какой была Вселенная до Большого взрыва?

Хотя космическая инфляция хорошо известна тем, что она разрешает некоторые важные вопросы о структуре и эволюции Вселенной, другие теории также могут объяснить эти загадки. В некоторых из этих теорий состояние Вселенной, предшествующей Большому Взрыву, — так называемая изначальная Вселенная — сокращалось, а не расширялось, и, таким образом, Большой взрыв был частью Большого отскока.

Чтобы выбрать между инфляцией и другими идеями, неизбежно возник вопрос фальсифицируемости, то есть может ли теория быть проверена, чтобы потенциально показать, что она ложна. Некоторые исследователи, в том числе Ави Леб из Центра астрофизики | Harvard & Smithsonian (CfA) в Кембридже, штат Массачусетс, выразили обеспокоенность по поводу космической инфляции, предполагая, что ее кажущаяся бесконечной адаптивность делает практически невозможным надлежащее тестирование.

«Фальсификация должна быть отличительной чертой любой научной теории. В настоящее время ситуация с инфляцией такова, что это такая гибкая идея, что ее невозможно фальсифицировать экспериментально», — сказал Леб. «Независимо от того, какую ценность люди измеряют для некоторого наблюдаемого признака, всегда есть некоторые модели инфляции, которые могут это объяснить».

Теперь группа ученых во главе с Синь Ченом из CfA вместе с Лоэбом и Чжонг-Чжи Сянью из физического факультета Гарвардского университета применили идею, которую они называют «изначальными стандартными часами», к не инфляционным теориям, и изложили метод, который может быть использован для фальсификации инфляции экспериментально. Исследование будет опубликовано в «Письмах физического обзора» в качестве выбора редакции.

В попытке найти некоторую характеристику, которая может отделить инфляцию от других теорий, команда начала с определения определяющих свойств различных теорий — эволюции размера изначальной Вселенной.

«Например, во время инфляции размер Вселенной растет в геометрической прогрессии», — сказал Сяньюй. «В некоторых альтернативных теориях размер Вселенной сокращается. В некоторых она делает это очень медленно, а в других очень быстро.

«Атрибуты, которые нам было предложено измерить, обычно отличаются при применении различных теорий, потому что они не имеют прямого отношения к эволюции размеров изначальной Вселенной», — продолжил он. «Итак, мы хотели выяснить, какие наблюдаемые атрибуты можно напрямую связать с этими определяющими свойствами».

Сигналы, генерируемые изначальными стандартными часами, могут служить такой цели. Эти часы — это любой тип тяжелой элементарной частицы в изначальной Вселенной. Такие частицы должны существовать в любой теории, и их положение должно колебаться с некоторой регулярной частотой, во многом как тиканье маятника часов.

Изначальная Вселенная не была полностью однородной. Были крошечные неравномерности в плотности в мельчайших масштабах, которые стали семенами крупномасштабной структуры, наблюдаемой в современной Вселенной. Это основной источник информации, из которого физики рассчитывают узнать о том, что произошло до Большого взрыва. Тики стандартных часов генерировали сигналы, которые были запечатлены в структуре этих нарушений. Стандартные часы в разных теориях изначальной Вселенной предсказывают разные образцы сигналов, потому что эволюционные истории Вселенной различны.

«Если мы представим всю информацию, которую мы до сих пор узнали о том, что произошло до Большого взрыва, в виде кадров фильма, то стандартные часы говорят нам, как эти кадры должны быть воспроизведены», — объяснил Чен. «Без какой-либо информации о часах мы не знаем, должен ли фильм воспроизводиться вперед или назад, быстро или медленно, точно так же, как мы не уверены, что изначальная Вселенная раздувалась или сжималась, и как быстро она это делала. Проблема заключается в том. Стандартные часы ставят метки времени на каждом из этих кадров, когда «фильм» был снят до Большого взрыва, и говорят нам, как смотреть фильм».

Команда рассчитала, как эти стандартные тактовые сигналы должны выглядеть в не инфляционных теориях, и предложила, как их следует искать в астрофизических наблюдениях. «Если бы был найден паттерн сигналов, представляющих сжимающуюся Вселенную, это фальсифицировало бы всю инфляционную теорию», — сказал Сяньюй.

Успех этой идеи заключается в экспериментах. «Эти сигналы будет очень трудно обнаружить, — сказал Чен, — и поэтому нам, возможно, придется искать во многих разных местах. Космическое микроволновое фоновое излучение — это одно из таких мест, а распределение галактик — другое. 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 под руководством США, европейский Euclid и недавно одобренный NASA проект SphereX, предоставят новые данные, которые могут быть использованы для достижения цели.

Источники: https://phys.org/news/2019-03-big.html