Μια άποψη των διαφορών θερμοκρασίας στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, που δημιουργήθηκε όταν ο γαλαξίας ήταν κάτω των 400.000 ετών, έγινε από εννέα χρόνια παρατηρήσεων από τον Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).
(Εικόνα: © NASA)
Ο Paul Sutter είναι αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο και επικεφαλής επιστήμονας στο επιστημονικό κέντρο COSI. Ο Sutter είναι επίσης οικοδεσπότης των "Ask a Spaceman", "Space Radio" και ηγείται των AstroTours σε όλο τον κόσμο. Ο Sutter συνέβαλε αυτό το άρθρο στις εξειδικευμένες φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Το μοντέλο Big Bang είναι η πιο επιτυχημένη εξήγησή μας για την ιστορία του σύμπαντος στο οποίο ζούμε και είναι γελοία εύκολο να ενσωματώσει το βασικό του πλαίσιο σε μια μόνο πρόταση με μπλουζάκι: Πριν από πολύ καιρό, το σύμπαν μας ήταν πολύ μικρότερο. Από αυτήν την απλή δήλωση ρέει σημαντικές δοκιμαστικές προβλέψεις που έχουν επαληθευτεί από δεκαετίες παρατήρησης. Ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος. Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Η παραγωγή των ελαφρύτερων στοιχείων. Οι διαφορές μεταξύ κοντινών και μακρινών γαλαξιών. Όλες οι ζουμερές αποδείξεις που κάνουν την κοσμολογία επιστήμη.
Υπάρχουν όμως ορισμένα ζητήματα. [The Universe: Big Bang to Now σε 10 εύκολα βήματα]
Το μοντέλο "Βανίλια" Big Bang, χωρίς άλλες προσθήκες ή τροποποιήσεις, δεν μπορεί να εξηγήσει όλες τις παρατηρήσεις.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Τα μάτια στον ορίζοντα
Μπορούμε να δούμε έναν τεράστιο όγκο ακατέργαστου χώρου. Το παρατηρήσιμο σύμπαν μας έχει διάμετρο πάνω από 90 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Και όσο πιο μακριά κοιτάζουμε το βαθύτερο στο παρελθόν που κοιτάζουμε. Μας περιβάλλει είναι το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, το εναπομένον απολιθωμένο φως που κυκλοφόρησε όταν το σύμπαν ήταν μόλις νεογέννητο - μόλις 270.000 ετών, πάνω από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια στο παρελθόν.
Αυτό το φως μας έρχεται από μακρινές εκτάσεις του σύμπαντος, τόσο μακρινό που είναι πλέον απρόσιτο για εμάς. Και διαφορετικά τμήματα αυτού του φωτός φόντου δεν είναι προσβάσιμα μεταξύ τους. Στην υπέροχη ορολογία της φυσικής, οι περιοχές του κοσμικού φόντου μικροκυμάτων δεν συνδέονται αιτιώδη. Με άλλα λόγια, για να επικοινωνήσει ένα κομμάτι των ορίων του παρατηρήσιμου σύμπαντος μας με ένα άλλο κομμάτι τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, θα έπρεπε να στείλουν σήματα γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός.
Αυτό δεν θα ήταν καθόλου σημαντικό αν το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων δεν ήταν σχεδόν απόλυτα ομαλό. Το βρεφικό σύμπαν είχε την ίδια θερμοκρασία με ένα μέρος σε ένα εκατομμύριο. Πώς όλοι συντονίστηκαν τόσο καλά όταν οι αλλαγές σε μια περιοχή δεν είχαν αρκετό χρόνο για να επηρεάσουν τους άλλους;
Ευθεία και στενή
Όσο καλύτερα μπορούμε να μετρήσουμε, η γεωμετρία του σύμπαντός μας φαίνεται να είναι τέλεια, εντελώς, τόσο βαρετά επίπεδη. Σε μεγάλες, κοσμικές κλίμακες, οι παράλληλες γραμμές παραμένουν παράλληλες για πάντα, οι εσωτερικές γωνίες των τριγώνων αυξάνονται έως και 180 μοίρες κ.ο.κ. Ισχύουν όλοι οι κανόνες της Ευκλείδειας γεωμετρίας που μάθατε στο γυμνάσιο.
Αλλά δεν υπάρχει λόγος για να είναι το σύμπαν μας επίπεδο. Σε μεγάλες κλίμακες θα μπορούσε να είχε οποιαδήποτε παλιά καμπυλότητα που ήθελε. Ο κόσμος μας θα μπορούσε να είχε διαμορφωθεί σαν μια γιγαντιαία, πολυδιάστατη μπάλα παραλία ή μια σέλα ιππασίας. Όμως, όχι, πήρε επίπεδο. Και όχι μόνο λίγο επίπεδο. Για να μην μετρήσουμε την καμπυλότητα με ακρίβεια λίγου τοις εκατό στο σημερινό σύμπαν, ο νεαρός κόσμος πρέπει να ήταν επίπεδος σε ένα μέρος σε ένα εκατομμύριο.
Γιατί; Από όλες τις πιθανές επιλογές για καμπυλότητα, δεν φαίνεται σχεδόν καθόλου ύποπτο; Και μάλιστα, υποψιαζόμαστε ότι υπάρχει ένας λόγος για την επιπεδότητα, και δεν είναι απλώς μια τυχερή ζαριά.
Μόνο ένας πόλος
Τα μαγνητικά μονοπόλια είναι θεωρητικά θηρία. κατάγματα στον ίδιο τον χωροχρόνο που εμφανίζουν μόνο έναν από τους μαγνητικούς πόλους - φανταστείτε ένα σωματίδιο βόρειου ή νότιου πόλου να περιπλανιέται στον μοναχικό του. (Όσο το γνωρίζουμε, ένα αντικείμενο με μαγνητικό βορρά θα έχει επίσης ένα μαγνητικό νότο στο άλλο άκρο.) Σύμφωνα με τα καλύτερα μοντέλα του εξαιρετικά πρώιμου σύμπαντος (όπως στο, όταν ήταν περίπου 10 ^ -35 δευτερόλεπτα, και όχι, αυτό δεν είναι τυπογραφικό) η εξωτική διαδικασία θα έπρεπε να είχε πλημμυρίσει απολύτως τον Κόσμο μας με αυτά τα άσχημα.
Αυτά τα μονοπώλια πρέπει να είναι τόσο συνηθισμένα ώστε να αποτελούν φυσιολογικό μέρος της καθημερινής μας κοσμολογικής ζωής. Και όμως, δεν έχουμε δει στοιχεία για ένα. Μηδέν. Τίποτα. Κανένα μονοπώλιο τέρατα δεν φαίνεται να παραμονεύει στα υφάλμυρα νερά του σκοτεινού σύμπαντος.
Πού πήγαν; Θα έπρεπε να έχουν κατασκευαστεί σε αφθονία, όπως το σύμπαν μας γινόταν ενδιαφέρον, αλλά δεν υπάρχει πουθενά.
Απλά κάντε το μεγάλο
Η καλύτερη λύση που έχουμε σε αυτά τα αινίγματα είναι μια διαδικασία που ονομάζεται πληθωρισμός. Η ιδέα προτάθηκε για πρώτη φορά - και επινοήθηκε! - από τον φυσικό Alan Guth το 1980 όταν πρότεινε ότι η ίδια εξωτική διαδικασία που πλημμύρισε το σύμπαν με μαγνητικά μονοπόλια θα μπορούσε να έχει στείλει τον Κόσμο σε μια περίοδο εκπληκτικά ταχείας επέκτασης.
Φανταστείτε αν σας φουσκώσω - το σώμα σας, τα έντερα, τον εγκέφαλο, τον σκελετό σας, ολόκληρη τη συμφωνία - στο μέγεθος ολόκληρου του παρατηρήσιμου σύμπαντός μας. Και φανταστείτε ότι μου πήρε λιγότερο από 10 ^ -32 δευτερόλεπτα για να το κάνω. Αυτή είναι μια σοβαρή επέκταση, και ακριβώς αυτό που εννοούμε με τον πληθωρισμό. Όταν το σύμπαν μας ήταν απίστευτα νέο, πρότεινε ο Γουθ διογκωμένος σε τέτοιες γιγαντιαίες κλίμακες σε λιγότερο από το ριπή οφθαλμού.
Για τον Guth, αυτή ήταν η πιο καθαρή διαδρομή για την επίλυση του προβλήματος του μονοπολικού. Κάνοντας το σύμπαν τόσο καταραμένο μεγάλο, τα μονοπώλια απλώς αραιώνονται. Το παρατηρήσιμο κομμάτι του σύμπαντος είναι μόνο μια μικροσκοπική γωνία ολόκληρου του shebang, και υπάρχει τόσος όγκος εκεί έξω που δεν πρέπει να περιμένουμε να συναντήσουμε ένα μονοπώλιο, όπως ποτέ.
Αυτή η πληθωριστική εποχή επιλύει επίσης τις άλλες δύο αδυναμίες του Big Bang της βανίλιας. Το προ-πληθωριστικό σύμπαν είχε αρκετό χρόνο για να συντονίσει και να εξισώσει τις θερμοκρασίες πριν προχωρήσει σε μια πολύ μεγαλύτερη κατάσταση, πετώντας περιοχές που συνδέονταν κάποτε εκτός περαιτέρω επαφής. Και σε ένα τόσο τεράστιο σύμπαν, δεν μπορούμε παρά να μετρήσουμε μια επίπεδη γεωμετρία στο παρατηρήσιμο έμπλαστρο. Ποιος νοιάζεται ποια είναι η καμπυλότητα ολόκληρου του σύμπαντος - είναι τόσο μεγάλο που θα μας φαίνεται επίπεδη. Η Γη είναι καμπύλη, αλλά η αυλή μου είναι ωραία και επίπεδη, γιατί είναι πολύ μικρότερη από την επιφάνεια του πλανήτη μας. Απλώς εφαρμόστε την ίδια λογική στις κοσμολογικές κλίμακες και είστε χρυσοί.
Ωστόσο, οι μηχανισμοί στους οποίους βασίζεται ο πληθωρισμός είναι ελάχιστα κατανοητοί και για να θεωρηθεί επιστημονική θεωρία μισής-αξιοπρεπούς, δεν μπορεί απλώς να εξηγήσει τις τρέχουσες παρατηρήσεις αλλά να κάνει προβλέψεις για μελλοντικές.
Και αυτή θα είναι η ιστορία για άλλη μια μέρα.
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "Γιατί χρειαζόμαστε κοσμικό πληθωρισμό; (Μέρος 2)" στο podcast Ask a Spaceman, διαθέσιμο στο iTunes και στον ιστό στη διεύθυνση http://www.askaspaceman.com. Χάρη στους Massimiliano S., Lorenzo B., @ZachCoty, Pete E., Christian W., @up_raw, Vicki K., Thomas, Banda C., Steve S., Evan W., Andrew P., @MarkRiepe, @ Luft08, @kazoukis, Gordon M., Jim W., Cosmic Wakes, Floren H., Gabi P., Amanda Z. και @scaredjackel για τις ερωτήσεις που οδήγησαν σε αυτό το κομμάτι! Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας τον Paul @PaulMattSutter και το facebook.com/PaulMattSutter. Ακολουθήστε μας στο Twitter @ Spacedotcom και στο Facebook. Αρχικό άρθρο στο Space.com.
