Według niektórych astrofizyków istnienie kosmicznej inflacji, czyli momentu czasu w niemowlęctwie Wszechświata, kiedy czasoprzestrzeń rozszerzała się wykładniczo i do czego tak naprawdę odnoszą się fizycy, mówiąc o „Wielkim Wybuchu”, można zweryfikować a nawet wykluczyć.
W kosmosie istnieje wyraźny, jednoznaczny sygnał, który może wyeliminować teorię inflacji, mówi grupa astrofizyków z University of Cambridge, University of Trento i Harvard University. Ich artykuł, opublikowany 3 listopada w The Astrophysical Journal Letters, argumentuje, że ten sygnał, znany jako kosmiczne tło grawitonowe (CGB), może zostać wykryty, chociaż będzie to ogromne wyzwanie techniczne i naukowe.
Inflacja została opracowana w celu wyjaśnienia różnych wyzwań związanych z dostrajaniem tak zwanego modelu gorącego Wielkiego Wybuchu – powiedział pierwszy autor artykułu, dr Sunny Vagnozzi z Instytutu Kosmologii Kavli w Cambridge, który obecnie pracuje na Uniwersytecie w Trydencie. Wyjaśnia ona również pochodzenie struktury w naszym Wszechświecie w wyniku fluktuacji kwantowych. Jednak duża elastyczność wykazywana przez możliwe modele kosmicznej inflacji, które obejmują nieograniczony krajobraz kosmologicznych wyników, budzi obawy, że kosmiczna inflacja nie jest weryfikowalna, nawet jeśli można wykluczyć poszczególne modele inflacyjne. Czy zatem można przetestować kosmiczną inflację w sposób niezależny od modelu?
W 2013 r. niektórzy naukowcy wyrazili obawy dotyczące istnienia kosmicznej inflacji, gdy satelita Planck opublikował pierwsze pomiary kosmicznego mikrofalowego tła (CMB), najstarszego światła we Wszechświecie. Kiedy ogłoszono wyniki z satelity Planck, uznano je jako potwierdzenie kosmicznej inflacji – powiedział profesor Avi Loeb z Uniwersytetu Harvarda i współautor artykułu „Jednak niektórzy z nas twierdzili, że wnioski mogą być wręcz przeciwne”.
Loeb, obok Anny Ijjas i Paula Steinhardta, był jednym z tych, którzy argumentowali, że wyniki Plancka pokazują, że inflacja produkuje więcej zagadek, niż rozwiązuje. Stwierdzili również, że nadszedł czas, aby zastanowić się nad nowymi pomysłami na temat początków Wszechświata, które na przykład mogły zacząć się nie od wybuchu, ale od odbicia od wcześniej kurczącego się kosmosu.
Anizotropie kosmicznego mikrofalowego tła (CMB) obserwowane przez teleskop kosmiczy Planck. CMB jest migawką najstarszego światła we Wszechświecie, odciśniętego na niebie, gdy Wszechświat miał zaledwie 380 000 lat. Pokazuje niewielkie wahania temperatury, które odpowiadają regionom o nieco innej gęstości, reprezentując zalążki wszystkich przyszłych struktur: dzisiejsze gwiazdy i galaktyki. Żródło: ESA
Mapy CMB opublikowane przez Plancka przedstawiają najwcześniejszy czas we Wszechświecie, który możemy „zobaczyć”, 100 milionów lat przed uformowaniem się pierwszych gwiazd. Nie możemy zajrzeć dalej.
Rzeczywista krawędź obserwowalnego Wszechświata znajduje się w odległości, na jaką każdy sygnał mógł przebyć z ograniczeniem prędkości światła w ciągu 13,8 miliarda lat, które upłynęły od narodzin Wszechświata – powiedział Loeb. W wyniku ekspansji wszechświata krawędź ta znajduje się obecnie w odległości 46,5 miliarda lat świetlnych. Kulista objętość wewnątrz tej granicy jest jak wykopaliska archeologiczne skoncentrowane na nas: im głębiej w nią wnikamy, tym wcześniej odkrywamy warstwę kosmicznej historii, aż do Wielkiego Wybuchu, który reprezentuje nasz ostateczny horyzont. To, co znajduje się za horyzontem, jest nieznane.
Badając prawie nieważkie, cząstki znane jako neutrina, które są najliczniej występującymi cząstkami mającymi masę we Wszechświecie, można by jeszcze głębiej zagłębić się w początki Wszechświata. Wszechświat pozwala neutrinom na swobodne przemieszczanie się bez rozpraszania od około sekundy po Wielkim Wybuchu, kiedy temperatura wynosiła dziesięć miliardów stopni. Współczesny Wszechświat musi być wypełniony reliktowymi neutrinami z tamtych czasów – powiedział Vagnozzi.
Vagnozzi i Loeb twierdzą, że możemy się cofnąć jeszcze dalej, śledząc grawitony, cząstki pośredniczące w działaniu grawitacji.
Wszechświat był przezroczysty dla grawitonów aż do najwcześniejszego momentu wykrytego przez znaną fizykę, czasu Plancka: 10 do potęgi -43 sekund, kiedy temperatura była najwyższa możliwa do wyobrażenia: 10 do potęgi 32 stopni – powiedział Loeb. Właściwe zrozumienie tego, co było wcześniej, wymaga przewidywalnej teorii grawitacji kwantowej, której nie posiadamy.
Vagnozzi i Loeb twierdzą, że gdy Wszechświat pozwolił grawitonom na swobodne przemieszczanie się bez rozpraszania, zostało wygenerowane reliktowe tło termicznego promieniowania grawitacyjnego o temperaturze nieco poniżej jednego stopnia powyżej zera absolutnego: kosmiczne tło grawitonowe (CGB). Jednak teoria Wielkiego Wybuchu nie dopuszcza istnienia CGB, ponieważ zgodnie z nią wykładnicza inflacja nowo narodzonego Wszechświata osłabiła relikty, takie jak CGB, do tego stopnia, że są one niewykrywalne. Można to zamienić w test: wykrycie CGB z pewnością wykluczyłoby kosmiczną inflację, która nie pozwala na jego istnienie.
Vagnozzi i Loeb przekonują, że taki test jest możliwy, a CGB będzie można wykryć w przyszłości. Ponieważ CGB jest częścią promieniowania kosmicznego, która poza tym obejmuje tła mikrofalowe i neutrinowe, wpływa też na tempo ekspansji kosmicznej wczesnego Wszechświata na poziomie wykrywalnym przez sondy kosmologiczne nowej generacji, które mogą zapewnić pierwszą pośrednią detekcję CGB.
Jednak, aby stwierdzić definitywne wykrycie CGB, „dymiącym pistoletem” byłoby wykrycie tła fal grawitacyjnych o wysokiej częstotliwości o szczytowych częstotliwościach około 100 GHz. Byłoby to bardzo trudne do wykrycia i wymagałoby ogromnych postępów w technologii żyrotronu i magnesów nadprzewodzących. Niemniej jednak, twierdzą naukowcy, ten sygnał może być w naszym zasięgu w przyszłości.
Więcej informacji:
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Inflacja kosmiczna jest popularnym scenariuszem najwcześniejszej fazy ewolucji Wszechświata. Źródło: A. Ijjas, P.J. Steinhardt i A. Loeb (Scientific American, luty 2017)
