Εντοπίστηκε πιθανή ηχώ της Μεγάλης Έκρηξης

Σημείωση του συντάκτη: Τους μήνες μετά την εμφάνιση αυτού του άρθρου, περαιτέρω ανάλυση των δεδομένων BICEP2 αποκάλυψε ότι το σήμα πιθανότατα οφείλεται σε σκόνη και όχι σε βαρυτικά κύματα. Για πρόσθετη κάλυψη αυτού του ζητήματος, ανατρέξτε στα άρθρα μας «Το «Σήμα Μεγάλης Έκρηξης» μπορεί να είναι όλη η σκόνη» και «Η ανάλυση της κοινής σκόνης ξεφουσκώνει το σήμα της μεγάλης έκρηξης».

Ένα τηλεσκόπιο στον Νότιο Πόλο εντόπισε λεπτούς στροβίλους στο αρχαίο φως που έχουν τη δυνατότητα να αποκαλύψουν πώς ξεκίνησε το σύμπαν και να δείχνουν προς μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία της φυσικής, ανέφεραν οι επιστήμονες σήμερα.

«Εάν επιβεβαιωθεί», είπε ο Frank Wilczek, νομπελίστας φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, «θα ήταν μια από τις απόλυτες μεγαλύτερες ανακαλύψεις στην κοσμολογία».

Χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Bicep2, επιστήμονες στο Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν και άλλα ιδρύματα ανακάλυψαν ότι η ακτινοβολία μικροκυμάτων που προέρχεται από το πρώιμο σύμπαν παρουσιάζει έναν τύπο πόλωσης που αναμένεται να προκύψει από αρχέγονα βαρυτικά κύματα, είπαν οι επιστήμονες. Αυτά τα κύματα - κυματισμοί στον ιστό του χώρου και του χρόνου - αποτυπώθηκαν στο σχήμα του σύμπαντος κατά τη διάρκεια του «πληθωρισμού», μιας περιόδου ταχείας διαστολής κατά την πρώτη στιγμή του σύμπαντος.

Οι θεωρητικοί φυσικοί επεσήμαναν πριν από δεκαετίες ότι τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα μπορεί να έχουν πολώσει το φως από το πρώιμο σύμπαν, αλλά κανείς δεν ήξερε αν το σήμα θα ήταν αρκετά ισχυρό για να ανιχνευθεί.

«Οι συνέπειες για αυτήν την ανίχνευση κλονίζουν το μυαλό», είπε ο Jamie Bock, φυσικός στο Caltech και συν-επικεφαλής του έργου. "Μετράμε ένα σήμα που έρχεται από την αυγή του χρόνου."

Αν και δεν υπάρχει αμφιβολία ότι τα μικροκύματα παρουσιάζουν το μοτίβο στροβιλισμού, που ονομάζεται πόλωση B-mode, χρειάζεται μια ανεξάρτητη παρατήρηση για να αποκλειστούν άλλες πιθανές πηγές για το σήμα και να επιβεβαιωθεί ότι προέρχεται από αρχέγονα βαρυτικά κύματα. Ωστόσο, οι ερευνητές λένε ότι τα νέα αποτελέσματα θα οδηγήσουν άλλα πειράματα στο σπίτι και ενδεχομένως να επιβεβαιώσουν την ανακάλυψη με στατιστική βεβαιότητα εντός ενός έτους. Εάν επαληθευόταν, αυτή η άμεση απόδειξη των βαρυτικών κυμάτων θα αποδείκνυε ότι ο πληθωρισμός συνέβη, είπαν οι ειδικοί. Και επειδή το μέγεθος των κυμάτων εξαρτάται από το πόσο δυνατά φούσκωσε το σύμπαν, αποκαλύπτουν επίσης την ποσότητα ενέργειας που το εμποτίζει και το απομακρύνει — μια σημαντική ένδειξη για το γιατί συνέβη.

Το μέγεθος των τρόπων B που ανιχνεύθηκε από το Bicep2 δείχνει ότι ο πληθωρισμός συνέβη όταν το σύμπαν ήταν περίπου 10 δευτερολέπτων ηλικίας και γεμάτο με ενέργεια 2 x 10 giga-ηλεκτρονιοβολτ. Αν και αυτή η ενεργειακή κλίμακα είναι 20 τρισεκατομμύρια φορές υψηλότερη από ό,τι οι φυσικοί έχουν ερευνήσει σε εργαστηριακά πειράματα, είναι εντυπωσιακά οικεία σε πολλούς στο πεδίο. Ερευνητές ανακάλυψαν στις δεκαετίες του 1970 και του 1980 ότι τρεις από τις δυνάμεις της φύσης αποκτούν ίσες δυνάμεις και ενώνονται σε μια ενιαία δύναμη σε αυτήν ακριβώς την ενεργειακή κλίμακα, εφόσον οι γνωστοί νόμοι της φυσικής στρογγυλοποιούνται με μερικά μέρη που λείπουν. Η σύμπτωση οδηγεί πολλούς φυσικούς να αναρωτιούνται εάν η διάσπαση αυτής της «μεγάλης ενοποιημένης» δύναμης σε διαφορετικούς τύπους θα μπορούσε να έχει προκαλέσει πληθωρισμό.

«Μια ανίχνευση τύπου B θα παρείχε ισχυρές υποδείξεις ότι η νέα φυσική που είναι υπεύθυνη για τον πληθωρισμό μπορεί να περιλαμβάνει μεγάλη ενοποίηση», δήλωσε ο Marc Kamionkowski, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, αναφερόμενος στη θεωρία ότι οι δυνάμεις της φύσης συγχωνεύτηκαν μεταξύ τους. στην αρχή του χρόνου.

Ο Kamionkowski βοήθησε στη σύλληψη του σχεδίου αναζήτησης B-modes ως απόδειξη βαρυτικών κυμάτων στα τέλη της δεκαετίας του 1990, παρακινώντας πειραματικές προσπάθειες όπως το Bicep2. «Αν και προσπαθώ να είμαι νηφάλιος, είναι εξαιρετικά συναρπαστικό να σκεφτόμαστε ότι μπορεί να βλέπουμε ένα νέο λείψανο από 10 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και ακόμη περισσότερο να σκεφτόμαστε ότι μπορεί να είχα κάποιο ρόλο στην προέλαση. », είπε σε ένα email.

Για να βρουν στοιχεία για αρχέγονους τρόπους λειτουργίας Β, ο John Kovac του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, ο κύριος ερευνητής του Bicep2, και η ομάδα του αναζήτησαν παραλλαγές στην κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου - την αχνή λάμψη της στιγμής που το σύμπαν έγινε διαφανές, 380.000 χρόνια μετά το Big Πάταγος. Αυτό ήταν όταν η αδιαφανής σούπα φορτισμένων σωματιδίων που γέμιζε τον κόσμο ψύχθηκε αρκετά ώστε να πήξει σε ουδέτερα άτομα, ελευθερώνοντας το φως να ταξιδέψει ανεμπόδιστα στο διάστημα για πρώτη φορά. Αυτό το φως εξακολουθεί να πέφτει βροχή στη Γη από κάθε κατεύθυνση, με την πόλωσή του να υποδηλώνει το σχήμα του χωροχρόνου στο σημείο όπου για τελευταία φορά εξέπεμψε ένα σωματίδιο στο πρώιμο σύμπαν.

Το μοτίβο στροβιλισμού με χονδρόκοκκο που βρέθηκε στην πόλωση του φωτός ταίριαζε με τις επιδράσεις των γιγάντων πόρπες στο χωροχρόνο — βαρυτικά κύματα που εκτείνονταν σε τεράστιες διαστάσεις κατά τη διάρκεια του φουσκώματος.

«Η ιστορία που δοκιμάζουμε εδώ φαίνεται τόσο φανταστική», είπε ο Kovac σήμερα σε συνέντευξη Τύπου στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης. — Χρειαζόμασταν πολλά πειστικά για να πιστέψουμε ότι το σήμα ήταν πραγματικό. Αλλά μέχρι τα τέλη Δεκεμβρίου, τα δεδομένα περνούσαν κάθε δοκιμή μας.”

Τα βαρυτικά κύματα προέκυψαν επειδή, σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τα σωματίδια μπαίνουν και βγαίνουν τυχαία, και τα σωματίδια βαρύτητας που προκύπτουν με αυτόν τον τρόπο στέλνουν καταρράκτες κυματισμών στον χωροχρόνο σαν βότσαλα που χτυπούν την επιφάνεια μιας λίμνης. Όταν αυτά τα σωματίδια προέκυψαν κατά τη διάρκεια του φουσκώματος, οι κυματισμοί αποτυπώθηκαν και μεγεθύνθηκαν καθώς ο χωροχρόνος επεκτεινόταν. Η ακριβής ποσότητα που τέντωσαν οι κυματισμοί και το μέγεθος του προκύπτοντος μοτίβου στροβιλισμού B-mode που παρατηρήθηκε από το Bicep2, αποκαλύπτει πόσο ενεργειακά διογκώθηκε ο χωροχρόνος. Αυτό με τη σειρά του βοηθά τους θεωρητικούς να καταλάβουν γιατί το έκανε.

Άλλα πειράματα, όπως ένα έργο που ονομάζεται Cosmology Large-Angular Scale Surveyor με επικεφαλής ερευνητές στο Johns Hopkins, ελπίζουν να χαρακτηρίσουν ακόμη μεγαλύτερες πόρπες στον χωροχρόνο, που θα αντιστοιχούσαν στην ενεργειακή πυκνότητα του σύμπαντος ακόμη και νωρίτερα στον πληθωρισμό. Αυτά τα πειράματα «θα μας βοηθήσουν λοιπόν να συμπεράνουμε κάτι για το πώς εξελίχθηκε ο πληθωρισμός», είπε ο Kamionkowski. «Οι λεπτομέρειες αυτού που βρίσκουμε θα μας βοηθήσουν στη συνέχεια να μηδενίσουμε το σωστό μοντέλο πληθωρισμού».

Η θεωρία του πληθωρισμού επικαλέστηκε αρχικά τον Alan Guth, φυσικό στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και άλλους για να εξηγήσει την ομαλότητα του σύμπαντος. Ο πληθωρισμός προέκυψε πιθανώς επειδή μια οντότητα που ονομάζεται πεδίο πληθωρισμού που διαπέρασε το νέο σύμπαν ξαφνικά εμποτίστηκε με ενέργεια, ανατινάζοντάς την σαν μπαλόνι υπό πίεση. Υπάρχουν πολλές ιδέες για το πώς αυτό το πεδίο πληθωρισμού ταιριάζει με την υπόλοιπη φυσική. Η νέα ένδειξη υποδηλώνει ότι η ίδια αλλαγή φάσης που χώρισε τις ισχυρές, τις αδύναμες και τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις θα μπορούσε επίσης να είχε διογκώσει το σύμπαν και ίσως να είχε ρίξει τις τιμές μερικών θεμελιωδών σταθερών επίσης, με τρόπο που μείωσε την τέλεια συμμετρία των αρχικών νόμων της φυσικής. Ο Adam Falkowski, ένας θεωρητικός φυσικός στο Εργαστήριο CERN, και άλλοι θεωρητικοί είπαν ότι αναμένουν ένα κύμα νέων ιδεών που συνδέουν αυτές τις διαδικασίες μεταξύ τους.

Ως πρόσθετο πλεονέκτημα, η ανακάλυψη των αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων θα υποδηλώνει έντονα ότι η δύναμη της βαρύτητας προέρχεται πραγματικά από κβαντικά σωματίδια που ονομάζονται γκραβιτόνια. «Αν μπορούμε να δείξουμε ότι αυτοί οι τρόποι Β οφείλονται σε βαρυτικά κύματα και να δείξουμε ότι οφείλονται στον πληθωρισμό, τότε μπορούμε να δείξουμε ότι η βαρύτητα είναι κβαντισμένη», δήλωσε ο Lawrence Krauss, θεωρητικός φυσικός και κοσμολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, ο οποίος εξήγησε αυτή την πιθανότητα. σε μια εργασία του Ιανουαρίου που συνυπογράφει ο Wilczek. "Υπάρχουν τα Gravitons."

Η ανίχνευση αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων «θα μας έφερνε πολύ πιο κοντά στην προέλευση του σύμπαντος», είπε ο Wilczek. «Θα ήταν και ορόσημο και πλατφόρμα για περαιτέρω εξερεύνηση. Αλλά είναι σημαντικό να επιβεβαιωθεί πριν παρασυρθούμε.”