Testarea teoriei Big Bang

Conform cosmologiei actuale, după evenimentul Big Bang, care a avut loc în urmă cu aproximativ 13,8 miliarde de ani, Universul s-a extins rapid în timpul unei perioade pe care astronomii o denumesc ”inflația cosmică”.

Oamenii de ştiinţă cred că Universul a apărut ca un amestec omogen de particule subatomice în urma Big Bang-ului. Pe măsură ce Universul a trecut printr-un proces de creștere exponențială, denumit inflație cosmică, micile fluctuații cuantice din acel amestec s-au mărit foarte mult. Aceste fluctuații cuantice au furnizat variaţiile de densitate ce au reprezentat ”seminţele” viitoarelor galaxii.

Se crede că această perioadă de „inflație cosmică” explică structura la scară mare a Universului și de ce spațiul și radiaţia cosmică de fond par să fie, în mare parte, uniforme în toate direcțiile.

Până în prezent nu s-au descoperit dovezi care să demonstreze cu exactitate scenariul inflației cosmice sau să excludă teoriile alternative.

Cu toate acestea, datorită unui nou studiu realizat de o echipă de astronomi de la Harvard University, inclusiv din cadrul Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), oamenii de știință ar putea avea un mijloc de testare a modelului cosmologic Big Bang.

Studiul cercetătorilor este intitulat „Unique Fingerprints of Alternatives to Inflation in the Primordial Power Spectrum” („Amprentele unice ale alternativelor la inflația cosmică în spectrul energiei primordiale”) şi este disponibil online, acesta urmând să fie publicat în Physical Review Letters.

Studiul a fost realizat de Xingang Chen (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Abraham Loeb (Center of Mathematical Sciences and Applications, Harvard University) şi Zhong-Zhi Xianyu (Department of Physics, Harvard University).

În cosmologia actuală, teoria inflației cosmice afirmă că după 10^-36 s de la Big Bang singularitatea în care s-a concentrat toată materia și energia din Univers a început să se extindă.

Această „epocă inflaționistă” a Universului se presupune că a durat până la 10^-33 s sau chiar până la 10^-32 s de la Big Bang; după care Universul a început să se extindă mai încet. Conform acestei teorii, expansiunea inițială a Universului a fost mai rapidă decât viteza luminii.

Pe baza acestei teorii astronomii explică de ce Universul prezintă caracteristici identice în regiuni foarte îndepărtate unele de altele.

Credit: NASA

Practic, dacă Universul provine dintr-un spațiu infim care s-a extins până la scara Universului pe care o putem observa în prezent, atunci s-ar putea explica de ce structura la scară mare a Universului este aproape uniformă și omogenă.

Totuși, aceasta nu este singura explicație posibilă a modului cum a ajuns Universul să fie aşa cum îl putem vedea în prezent.

„Deși multe proprietăți observate ale structurilor din Univers sunt în concordanță cu scenariul inflației, există atât de multe modele ale inflației cosmice încât aceasta este greu de dovedit. Inflația cosmică a condus, de asemenea, la noțiunea de multivers în care orice eveniment s-ar putea produce la infinit și o astfel de teorie este practic imposibil de dovedit prin experimente.

Există în prezent diferite scenarii concurente privind evoluţia Universului care nu implică inflația cosmică. Conform unora dintre aceste scenarii, Universul se contractă mai întâi înainte de a se produce un Big Bang, iar aceste scenarii s-ar putea potrivi cu observațiile actuale privind inflația cosmică”, afirmă profesorul Abraham Loeb pentru Universe Today.

Loeb și colegii săi au dezvoltat în studiul lor o metodă, independentă de model, prin care se poate distinge inflația cosmică de alte scenarii alternative.

În esență, ei sugerează că fluctuațiile cuantice și variaţiile de densitate din Universul timpuriu s-au înregistrat în câmpurile particulelor masive care au existat în Universul timpuriu ca o funcție de timp, adică ar putea fi considerate un fel de „ceas standard al Universului”.

Prin măsurarea semnalelor care ar proveni din aceste câmpuri, cercetătorii prezic că cosmologii ar putea să afle dacă o variație a densității de masă a fost înregistrată în timpul unei faze de contracție sau de expansiune a Universului timpuriu. Acest lucru le-ar permite efectiv cercetătorilor să elimine alternativele la inflația cosmică (cum ar fi scenariul Big Bounce, un model ciclic al Big Bang-ului în care primul eveniment cosmologic a fost rezultatul contracţiei unui univers anterior).

„În majoritatea scenariilor privind evoluţia Universului este natural să presupunem existența unui câmp al particulelor masive din Universul timpuriu. Perturbaţiile din acest câmp, pe o anumită scară spațială, oscilează în timp ca o minge care urcă și coboară într-un puț, unde masa dictează frecvența, iar evoluția perturbațiilor depinde, de asemenea, de scara spațială şi de factorul scării de fond (care crește exponențial în cazul modelelor de inflație ale Universului, dar scade în cazul modelelor de contracţie ale Universului)”, explică Loeb.

Aceste perturbații, afirmă Loeb, ar fi sursa oricăror variații de densitate observate în prezent de astronomi în Univers. Modul cum s-au manifestat aceste variaţii poate fi determinat prin observarea radiaţiei cosmice de fond.

Pe scurt, Loeb și colegii săi au identificat un semnal potențial care ar putea fi măsurat folosind instrumentele de observaţie actuale. Printre acestea se numără cele care au studiat radiaţia cosmică de fond, cum ar fi observatorul spațial Planck al Agenţiei Spaţiale Europene și cele cu ajutorul cărora s-au efectuat studii asupra galaxiilor, cum ar fi studiul Sloan Digital Sky Survey, telescopul VLT Survey, telescopul Dragonfly, etc.

Înțelegerea modului cum a început Universul este probabil cea mai fundamentală întrebare din domeniul științei și cosmologiei.

Dacă prin aplicarea acestei metode pot fi excluse unele explicații alternative asupra modului cum a început Universul, atunci acest lucru ne va aduce cu un pas mai aproape de înţelegerea originii timpului, spațiului și vieții.

Întrebările „de unde venim?” și „cum a început totul?” ar putea avea, în sfârșit, un răspuns definitiv!

Studiu poate fi găsit pe serverul de preprint arXiv.

Sursă: Science Alert