Σύμφωνα με το κοσμολογικό μοντέλο του Big Bang, το Σύμπαν μας ξεκίνησε πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια όταν άρχισε να επεκτείνεται όλη η ύλη και η ενέργεια στον Κόσμο. Αυτή η περίοδος «κοσμικού πληθωρισμού» πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύει τη μεγάλη κλίμακα δομή του Σύμπαντος και γιατί ο χώρος και το Κοσμικό Φούρνο Μικροκυμάτων (CMB) φαίνεται να είναι σε μεγάλο βαθμό ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις.
Ωστόσο, μέχρι σήμερα, δεν έχουν ανακαλυφθεί στοιχεία που να αποδεικνύουν σίγουρα το κοσμικό σενάριο πληθωρισμού ή να αποκλείουν εναλλακτικές θεωρίες. Αλλά χάρη σε μια νέα μελέτη από μια ομάδα αστρονόμων από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και το Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνια (CfA), οι επιστήμονες μπορεί να έχουν ένα νέο μέσο δοκιμής ενός από τα βασικά μέρη του κοσμολογικού μοντέλου του Big Bang.
Η εφημερίδα τους, με τίτλο «Μοναδικά δακτυλικά αποτυπώματα εναλλακτικών στον πληθωρισμό στο αρχέγονο φάσμα ισχύος», εμφανίστηκε πρόσφατα στο διαδίκτυο και εξετάζεται για δημοσίευση στο Επιστολές φυσικής αναθεώρησης. Η μελέτη διεξήχθη από τους Xingang Chen και Abraham Loeb - έναν ανώτερο λέκτορα στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και τον Πρόεδρο Αστρονομίας του Frank D. Baird στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, αντίστοιχα - και τον Zhong-Zhi Xianyu, μεταδιδακτορικό συνεργάτη με το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ.
Για να ανακεφαλαιώσουμε, στη φυσική κοσμολογία, η θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού δηλώνει ότι στο 10-36 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang, η μοναδικότητα όπου συγκεντρώθηκε όλη η ύλη και η ενέργεια άρχισε να επεκτείνεται. Αυτή η «πληθωριστική εποχή» πιστεύεται ότι διήρκεσε έως τις 10-33 έως 10-32 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang. μετά από αυτό, το Σύμπαν άρχισε να επεκτείνεται πιο αργά. Σύμφωνα με αυτήν τη θεωρία, η αρχική επέκταση του Σύμπαντος ήταν ταχύτερη από την ταχύτητα του φωτός.
Η θεωρία ότι υπήρχε μια τέτοια εποχή είναι χρήσιμη για τους κοσμολόγους γιατί βοηθά να εξηγήσει γιατί το Σύμπαν έχει σχεδόν τις ίδιες συνθήκες σε περιοχές που είναι πολύ απομακρυσμένες μεταξύ τους. Βασικά, εάν ο Κόσμος προήλθε από έναν μικρό όγκο χώρου που διογκώθηκε για να γίνει μεγαλύτερος από αυτόν που μπορούμε να παρατηρήσουμε σήμερα, θα εξηγούσε γιατί η μεγάλη κλίμακα δομή του Σύμπαντος είναι σχεδόν ομοιόμορφη και ομοιογενής.
Ωστόσο, αυτό δεν είναι καθόλου οι μόνες εξηγήσεις για το πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν και η ικανότητα παραποίησης ενός από αυτά υπήρχε ιστορικά. Όπως είπε ο καθηγητής Abraham Loeb στο Space Magazine μέσω email:
«Παρόλο που πολλές παρατηρούμενες ιδιότητες των δομών στο σύμπαν μας είναι σύμφωνες με το σενάριο πληθωρισμού, υπάρχουν τόσα πολλά μοντέλα πληθωρισμού που είναι δύσκολο να παραποιηθούν. Ο πληθωρισμός οδήγησε επίσης στην έννοια του πολυσύμπαντος στο οποίο οτιδήποτε μπορεί να συμβεί θα συμβεί άπειρες φορές, και μια τέτοια θεωρία είναι αδύνατο να παραποιηθεί μέσω πειραμάτων, που είναι το εμπορικό σήμα της παραδοσιακής φυσικής. Μέχρι τώρα, υπάρχουν ανταγωνιστικά σενάρια που δεν περιλαμβάνουν πληθωρισμό, στα οποία το σύμπαν πρώτα συστέλλεται και στη συνέχεια αναπηδά αντί να ξεκινήσει σε ένα Big Bang. Αυτά τα σενάρια θα μπορούσαν να ταιριάξουν με τα τρέχοντα παρατηρήσιμα επίπεδα πληθωρισμού ».
Για χάρη της μελέτης τους, ο Loeb και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν ανεξάρτητο από τον τρόπο τρόπο διαχωρισμό του πληθωρισμού από εναλλακτικά σενάρια. Ουσιαστικά, προτείνουν ότι τα ογκώδη πεδία στο αρχέγονο σύμπαν θα βιώσουν κβαντικές διακυμάνσεις και διαταραχές πυκνότητας που θα καταγράφουν άμεσα την κλίμακα του πρώιμου Σύμπαντος ως συνάρτηση του χρόνου - δηλαδή θα λειτουργούσαν ως ένα είδος «τυπικού ρολογιού του Σύμπαντος».
Μετρώντας τα σήματα που προβλέπουν ότι θα προέρχονται από αυτά τα πεδία, υποθέτουν ότι οι κοσμολόγοι θα μπορούσαν να πουν εάν υπήρχαν διαφορές στην πυκνότητα κατά τη διάρκεια μιας σύμβασης ή μιας επεκτεινόμενης φάσης του πρώιμου Σύμπαντος. Αυτό θα τους επέτρεπε ουσιαστικά να αποκλείσουν εναλλακτικές λύσεις έναντι του κοσμικού πληθωρισμού (όπως το σενάριο Big Bounce). Όπως εξήγησε ο Loeb:
«Στα περισσότερα σενάρια είναι φυσικό να έχουμε ένα τεράστιο πεδίο στον πρώιμο κόσμο. Οι διαταραχές στο τεράστιο πεδίο σε μια συγκεκριμένη χωρική κλίμακα ταλαντεύονται στο χρόνο σαν μια μπάλα να ανεβαίνει και να κατεβαίνει σε ένα πιθανό πηγάδι, όπου η μάζα υπαγορεύει τη συχνότητα των ταλαντώσεων. Αλλά η εξέλιξη των διαταραχών εξαρτάται επίσης από την υπό εξέταση χωρική κλίμακα καθώς και από τον παράγοντα κλίμακας υποβάθρου (ο οποίος αυξάνεται εκθετικά κατά τη διάρκεια γενικών μοντέλων πληθωρισμού αλλά μειώνεται στα μοντέλα συστολής). "
Αυτές οι διαταραχές, είπε ο Loeb, θα είναι η πηγή τυχόν παραλλαγών πυκνότητας που παρατηρούνται από τους αστρονόμους στο περιοδικό Space. Ο τρόπος με τον οποίο διαμορφώθηκαν αυτές οι παραλλαγές μπορεί να προσδιοριστεί παρατηρώντας το φόντο του σύμπαντος - συγκεκριμένα, αν επεκτείνεται ή συστέλλεται, από το οποίο μπορούν να διακρίνουν οι αστρονόμοι.
«Στη μεταφορά μου, ο παράγοντας κλίμακας του σύμπαντος επηρεάζει τον ρυθμό με τον οποίο τραβάται μια ταινία καθώς το ρολόι αφήνει σημάδια σε αυτό», πρόσθεσε ο Loeb. «Το νέο σήμα που προβλέπουμε αποτυπώνεται στο πώς αλλάζει το επίπεδο των ομοιομορφιών στο σύμπαν με τη χωρική κλίμακα.»
Εν ολίγοις, ο Loeb και οι συνεργάτες του εντόπισαν ένα πιθανό σήμα που θα μπορούσε να μετρηθεί χρησιμοποιώντας τα τρέχοντα όργανα. Αυτές περιλαμβάνουν εκείνους που έχουν μελετήσει το Κοσμικό Φούρνο Μικροκυμάτων (CMB) - όπως το ESA's Planck διαστημικό παρατηρητήριο - και εκείνοι που διεξήγαγαν έρευνες γαλαξιών - το Sloan Digital Sky Survey, το VLT Survey Telescope, το Dragonfly τηλεσκόπιο κ.λπ.
Σε προηγούμενες μελέτες, έχει προταθεί ότι οι παραλλαγές πυκνότητας στο αρχέγονο Σύμπαν θα μπορούσαν να ανιχνευθούν αναζητώντας αποδεικτικά στοιχεία για μη Γκαουσιανίες, οι οποίες είναι διορθώσεις για την εκτίμηση της συνάρτησης Gauss για τη μέτρηση μιας φυσικής ποσότητας - σε αυτήν την περίπτωση, το CMB. Αλλά όπως το έθεσε ο Loeb, αυτά δεν έχουν ακόμη εντοπιστεί:
«Το νέο ταλαντωτικό σήμα βρίσκεται στο φάσμα ισχύος των αρχέγονων διαταραχών πυκνότητας (το οποίο μετριέται συνήθως από το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων [CMB] ή τις γαλαξιακές έρευνες), ενώ προηγούμενες προτάσεις στη βιβλιογραφία αφορούσαν επιδράσεις που σχετίζονται με τις μη Γκαουσιανίες, οι οποίες είναι πολύ περισσότερες πρόκληση για μέτρηση (και δεν εντοπίστηκαν ακόμη). Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στην εφημερίδα μας είναι πολύ επίκαιρα καθώς συλλέγονται εκτεταμένα σύνολα δεδομένων με νέες παρατηρήσεις των ανισοτροπιών CMB και των ερευνών γαλαξιών. "
Η κατανόηση του πώς ξεκίνησε το Σύμπαν μας είναι ίσως τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα στην επιστήμη και την κοσμολογία. Εάν με την εφαρμογή αυτής της μεθόδου, μπορούν να αποκλειστούν εναλλακτικές εξηγήσεις για το πώς ξεκίνησε το Σύμπαν, θα μας φέρει ένα βήμα πιο κοντά στον προσδιορισμό της προέλευσης του χρόνου, του χώρου και της ίδιας της ζωής. Οι ερωτήσεις «από πού προερχόμαστε;» και «πώς ξεκίνησαν όλα;» μπορεί τελικά να έχει μια οριστική απάντηση!
