Στο Lopsided Map of the Cosmos, a Glimmer of Its Origins
Εάν το σύμπαν μας χτυπούσε σε ένα γειτονικό κατά τη διάρκεια μιας έξαρσης ανάπτυξης στο πρώτο του δευτερόλεπτο, η σύγκρουση θα είχε αφήσει σημάδι.
Και ο Μάθιου Κλέμπαν πιστεύει ότι το βλέπει στο πιο λεπτομερές στιγμιότυπο που τραβήχτηκε από την αυγή του σύμπαντος. Η δορυφορική εικόνα, που δόθηκε στη δημοσιότητα από αστρονόμους τον Μάρτιο, επιβεβαίωσε αυτό που υποδήλωνε μια προηγούμενη εικόνα:Το ήμισυ του νεαρού Κόσμου ήταν ελαφρώς πιο τραχύ από το άλλο.
Με λίγα άλλα στοιχεία για το τι συνέβη στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, ο Kleban είναι μεταξύ των δεκάδων θεωρητικών κοσμολόγων που προσπαθούν να συνθέσουν μια ιστορία κοσμικής προέλευσης από την κοκκώδη σκιά μιας νέας ιδέας.
«Όταν χτυπούν ο ένας τον άλλον, υπάρχει ένα είδος ωστικού κύματος που διαδίδεται στο σύμπαν μας», είπε ο Kleban, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. Ένα τέτοιο ωστικό κύμα —αν αυτό δείχνει η εικόνα— θα ήταν απόδειξη για την υποστήριξη της υπόθεσης του πολυσύμπαντος, μια πολύ γνωστή αλλά αναπόδεικτη ιδέα ότι το δικό μας είναι ένα από τα άπειρα σύμπαντα που δημιουργήθηκαν μέσα σε ένα μεγαλύτερο κενό.
Οι περισσότεροι από τους κοσμολόγους σπεύδουν να παραδεχτούν ότι θα μπορούσαν να ακολουθήσουν ένα ψεύτικο ίχνος.
"Αυτό είναι ένα παιχνίδι υψηλού πονταρίσματος", δήλωσε ο Marc Kamionkowski, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, ο οποίος έχει προτείνει πολλά νέα μοντέλα Big Bang για να εξηγήσει την ασυμμετρία μεταξύ των δύο μισών του σύμπαντος. «Θα θέλαμε πολύ να μάθουμε περισσότερα για το από πού προήλθε το σύμπαν μας, αλλά η φύση δεν μας έχει αφήσει με πάρα πολλές συμβουλές.»
Η ασυμμετρία «μπορεί να είναι μια στατιστική ατυχία», είπε ο Kamionkowski, ή «θα μπορούσε πραγματικά να είναι η κορυφή του παγόβουνου».
Μόνο ο χρόνος και οι έξυπνες δοκιμές θα το πουν.
Η ασυμμετρία του σύμπαντός μας εμφανίζεται στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων - η στατική μεταλάμψη από τη στιγμή που το σύμπαν έγινε διαφανές, 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η ομίχλη των φορτισμένων σωματιδίων που μέχρι τότε κάλυπταν το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά ώστε να πήξει σε ουδέτερα άτομα, ελευθερώνοντας το φως να ταξιδέψει ανεμπόδιστα στο διάστημα για πρώτη φορά. Τα τελευταία τρία χρόνια, ο δορυφόρος Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας κατέγραψε μια εικόνα 50 megapixel αυτού του φωτός που προερχόταν από όλες τις κατευθύνσεις, με κάθε φωτόνιο αποτυπωμένο με ένα αρχείο της θερμοκρασίας από όπου προήλθε πριν από περισσότερα από 13 δισεκατομμύρια χρόνια.
Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων δείχνει ότι η θερμοκρασία σε όλο το σύμπαν ηλικίας 380.000 ετών ήταν σχεδόν ομοιόμορφη, αποκλίνοντας από το μέσο όρο μόλις 1 μέρος στις 100.000. Τα οριακά «καυτά» και «κρύα» σημεία του - οι σπόροι των μελλοντικών γαλαξιών και των κενών - πιστεύεται ότι προήλθαν από κβαντικές διακυμάνσεις ή τυχαίους κυματισμούς ενέργειας, που ενισχύθηκαν κατά τη διάρκεια μιας λάμψης εκθετικής ανάπτυξης μέσα στην πρώτη στιγμή του σύμπαντος, γνωστή ως πληθωρισμός.
Οι κοσμολόγοι θέλουν να επαναφέρουν τα βήματα του πληθωρισμού πίσω στην αιτία του.
Χωρίς μια θεωρία για το πώς λειτουργεί η φυσική στις εξαιρετικά καυτές και μικρές κλίμακες που υπήρχαν στο νεογέννητο σύμπαν, έχουν επί του παρόντος μόνο ένα απλό «μοντέλο παιχνιδιών» του γεγονότος:Ένα πεδίο πληθωρισμού που διαπερνά όλο το διάστημα μεταβαίνοντας σε μια ασταθή κατάσταση περίπου 10 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, με αποτέλεσμα ο χώρος να φουσκώσει 10 φορές σε όγκο προτού το πεδίο φουσκώματος αποκατασταθεί περίπου 10 δευτερόλεπτα αργότερα. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, το σύμπαν θα έπρεπε να έχει τεντωθεί ομοιόμορφα, δημιουργώντας ένα ομοιόμορφα τυχαίο, διάστικτο μοτίβο ζεστού και κρύου στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Αλλά αυτό δεν υποδηλώνουν τα δεδομένα.
"Από τη μια πλευρά, τα θερμά σημεία και τα κρύα σημεία είναι πιο ζεστά και πιο κρύα από την άλλη πλευρά", εξήγησε ο Kamionkowski.
Ο ανιχνευτής ανισοτροπίας μικροκυμάτων Wilkinson, ή WMAP, ανίχνευσε για πρώτη φορά στοιχεία ότι οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας ήταν πιο ακραίες στο ένα ήμισυ του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου από το άλλο το 2007, αλλά θα μπορούσε να ήταν σφάλμα μέτρησης. Ο χάρτης Planck ενίσχυσε την περίπτωση της ασυμμετρίας και επέλυσε τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας με μεγαλύτερη λεπτομέρεια, επιτρέποντας στους φυσικούς να αποκλείσουν ορισμένες εξηγήσεις και να βρουν άλλες.
Όπως οι τοπογραφικές διαφορές στις Ηνωμένες Πολιτείες, η ασυμμετρία στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας σε όλο το σύμπαν είναι πιο ορατή σε μεγάλες κλίμακες. Ένα τετραγωνικό πόδι γης στο Κολοράντο δεν είναι πιο ανώμαλο από ένα τετραγωνικό πόδι στην Ιντιάνα, αλλά αν κάνετε σμίκρυνση, τα βουνά και οι κοιλάδες είναι σαφώς ψηλότερα και βαθύτερα στο Κολοράντο. «Μπορείτε να σκεφτείτε ένα μέρος του ουρανού ως Ιντιάνα και ένα άλλο μέρος ως Κολοράντο», είπε ο Donghui Jeong, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του Kamionkowski. «Αυτή η παραλλαγή είναι πραγματικά περίεργη. Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς τι το προκαλεί.”
Μερικοί κοσμολόγοι το θεωρούν ως μια στατιστική ατυχία. Οι πιθανότητες ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις κατά τη γέννηση του σύμπαντος θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει τυχαία την παρατηρούμενη ασυμμετρία είναι μεταξύ 0,1 και 1 τοις εκατό — περίπου ίδιες με ένα νόμισμα που πετιέται επανειλημμένα οκτώ φορές στη σειρά.
«Αν έβαζα στοίχημα και οι πιθανότητες ήταν ζυγές χρήματα, θα στοιχημάτιζα ότι ήταν απλώς μια τύχη», είπε ο Sean Carroll, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. «Αλλά το θέμα είναι ότι οι πιθανότητες δεν είναι καν χρήματα. Αν μας λέει κάτι για το πρώιμο σύμπαν, θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά σημαντικό.”
Οι κοσμολόγοι έχουν ήδη προωθήσει αρκετές ανταγωνιστικές θεωρίες για να εξηγήσουν πώς τα γεγονότα κατά τη διάρκεια και αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη θα μπορούσαν να έχουν χαράξει αυτή την ασυμμετρία στον κόσμο.
Λίγοι πιστεύουν ότι το μοντέλο του παιχνιδιού, με το πεδίο φουσκώματος του στη θέση του, μπορεί να εξηγήσει πλήρως τι ξεκίνησε το σύμπαν. Αντίθετα, το πεδίο θα μπορούσε να είναι μία από τις πρόσθετες, κουλουριασμένες διαστάσεις του χώρου που υποβάλλονται από μια υποθετική «θεωρία των πάντων» που ονομάζεται θεωρία χορδών, η οποία πιθανότατα περιλαμβάνει περισσότερα από ένα πεδία πληθωρισμού. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στον ιστότοπο προεκτύπωσης φυσικής arXiv.org τον Μάιο, ο John McDonald, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Lancaster στο Ηνωμένο Βασίλειο, έδειξε ότι ένα μοντέλο δύο πεδίων θα μπορούσε να είχε προκαλέσει την ασυμμετρία στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων όσο το δεύτερο Το πεδίο, που ονομάζεται curvaton, αποσυντίθεται μετά το τέλος του πληθωρισμού και μετά το σχηματισμό της σκοτεινής ύλης.
Εναλλακτικά, όπως περιγράφεται σε ένα άρθρο που θα εμφανιστεί στο περιοδικό Physical Review D, ο Kamionkowski και οι συνεργάτες του υπολογίζουν ότι η ασυμμετρία θα μπορούσε να προέκυψε από τη διακύμανση ορισμένων κοσμολογικών παραμέτρων σε όλο το σύμπαν. Το πιο πολλά υποσχόμενο μοντέλο, στο οποίο υπάρχει μια μετατόπιση 6 τοις εκατό σε μια παράμετρο από τη μια πλευρά του σύμπαντος στην άλλη, «υπολογίζει όλες τις παρατηρήσεις αρκετά άνετα», είπε ο Kamionkowski. Η παράμετρος θα μπορούσε να αγκιστρωθεί σε διαφορετικές τιμές σε ξεχωριστά ελαττώματα στον ιστό του χωροχρόνου, που, σύμφωνα με ορισμένες θεωρίες, θα μπορούσαν να είναι οι καταλύτες του πληθωρισμού.
Ή, όπως υποστηρίζουν ο Kleban και οι συνεργάτες του σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Physical Review D τον Φεβρουάριο και σε μια προσεχή δημοσίευση που ενσωματώνει τα δεδομένα Planck, η ασυμμετρία θα μπορούσε να είναι το αποτέλεσμα μιας βίαιης σύγκρουσης μεταξύ δύο συμπάντων ή μεταξύ δύο σημείων σε αυτό το σύμπαν. Στο σενάριο του πολυσύμπαντος, οι φυσαλίδες συχνά εμφανίζονταν κοντά και συγκρούονταν. Οι φυσαλίδες θα μπορούσαν επίσης να τρέξουν στον εαυτό τους ενώ επεκτείνονται γύρω από μια κυρτή διάσταση του χώρου (φανταστείτε έναν κύκλο να μεγαλώνει στην επιφάνεια ενός κυλίνδρου). Η σύγκρουση θα μπορούσε τότε να έχει προκαλέσει πληθωρισμό.
Εάν το ωστικό κύμα από μια τέτοια σύγκρουση φαινόταν να διασχίζει το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, θα ήταν ένα όπλο καπνίσματος για το πολυσύμπαν, είπε ο Kleban. Αλλά η αιχμή του ωστικού κύματος είναι πιο πιθανό να έχει μετακινηθεί πέρα από τον ορίζοντα αυτού του παρατηρήσιμου τμήματος του σύμπαντος σαν ένα πλοίο που πέρασε τη νύχτα, ακολουθώντας πιο ήπιες αναταράξεις στο πέρασμά του. Ο χάρτης Planck μπορεί να απεικονίζει τα εκτεταμένα απομεινάρια ενός τέτοιου μονοπατιού.
Αυτά τα υπολείμματα «θα επηρέαζαν τις μεγαλύτερες κλίμακες που μπορούμε να δούμε», είπε ο Kleban. Θα είχαν αυξηθεί σε κλίμακα καθώς το σύμπαν φούσκωσε, με αποτέλεσμα ένα αποτέλεσμα παρόμοιο με τις τοπογραφικές διαφορές μεταξύ Κολοράντο και Ιντιάνα.
Επειδή κάθε ένα από τα νέα μοντέλα πληθωρισμού κάνει τη δική του πρόβλεψη σχετικά με την κατεύθυνση προς την οποία πρέπει να πολωθεί το αρχαίο φως, ένας νέος «χάρτης πόλωσης» του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων που αναμένεται να κυκλοφορήσει από την ομάδα Planck το επόμενο έτος θα βοηθήσει στον προσδιορισμό της πρότασης. αν υπάρχει, υπόσχεται.
Προς το παρόν, οι θεωρητικοί πρέπει να προσαρμόσουν τις θεωρίες τους για το Big Bang γύρω από τα δεδομένα που έχουν στο χέρι. «Υπάρχουν πάντα πράγματα που δεν μπορείς να αποδείξεις γιατί απλά δεν έχουμε την τεχνολογία ακόμα», είπε ο Kleban. "Απλώς πρέπει να τραβήξεις τις λήψεις σου και να κάνεις το καλύτερο."
