Как образовалась Вселенная? Что было до Большого взрыва? Космологи задают эти вопросы с того момента, когда стало ясно, что наша Вселенная расширяется.
Команда американских астрофизиков предложила новый способ проверки инфляционной модели Вселенной, заключающийся в поиске сигналов «стандартных часов», генерируемых любым типом тяжелых частиц в «первичной вселенной». Описание метода принято к публикации в журнале Physical Review Letters.
«Конечной целью нашей работы является получение ответа на вопрос: какой была Вселенная до Большого взрыва?» – пишут авторы исследования.
Большой взрыв в представлении художника. Credit: iStock
Инфляционная модель Вселенной, говорящая о стремительном расширении пространства за несколько секунд сразу после Большого взрыва, помогает разрешить некоторые важные вопросы о структуре и эволюции космоса, однако другие, сильно отличающиеся от нее теории также могут объяснить эти загадки, хотя и иным способом.
«В некоторых неинфляционных теориях Вселенная, предшествующая Большому взрыву, так называемая «первичная вселенная», сокращалась, и, таким образом, Большой взрыв был частью Большого отскока. Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо в первую очередь доказать ложность инфляционной модели, однако ее кажущаяся бесконечная адаптивность к данным делает практически невозможным ее надлежащее тестирование», – отмечают исследователи.
В настоящее время ситуация с инфляцией такова, что это очень гибкая идея, которую нельзя опровергнуть экспериментально. Независимо от того, какие данные астрономы получают в рамках наблюдений и какие несоответствия находят, у теоретиков всегда есть некоторые модели инфляции, способные это объяснить.
Схематичное изображение теории Большого отскока, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада некоей «предыдущей» вселенной. Credit: Philipp Dettmer
Поэтому астрофизики из Гарвардского университета (США) решили пойти от обратного и разработали идею «первичных стандартных часов», применяемую к неинфляционным теориям, которая потенциально может привести к экспериментальному опровержению инфляции. Она опирается на основополагающее свойство различных моделей – эволюцию размера первичной вселенной.
«Например, во время инфляции вселенная растет в геометрической прогрессии. В некоторых альтернативных теориях она сокращается. В одних вселенная делает это очень медленно, а в других быстро. Параметры, которые ранее были предложены для измерения в пользу каждой из теорий, обычно свойственны нескольким из них и не позволяют сделать однозначный вывод, так как не имеют прямого отношения к изменению размера первичной вселенной. Мы же хотели понять, какие наблюдаемые характеристики можно напрямую связать с этим фундаментальным свойством», – рассказывает Синь Чен, ведущий автор исследования.
Художественное представление первичных стандартных часов. Credit: Xingang Chen
Сигналы, генерируемые первичными стандартными часами, должны стать ключом к разгадке. Этот хронометр может быть «создан» любым типом тяжелых элементарных частиц в первичной вселенной. Такие частицы присущи всем конкурирующим теориям, и их колебания с некоторой регулярной частотой во многом напоминают движение маятника.
Первичная вселенная не была полностью однородной и содержала крошечные неравномерности в плотности, ставшие в итоге семенами крупномасштабных структур в современной Вселенной. Это свойство, по мнению исследователей, является основным источником информации, который поможет узнать, что было до Большого взрыва, так как тиканье стандартных часов генерировало сигналы, отпечатавшиеся в этих сгустках, при этом разные теории первичной вселенной предсказывают индивидуальные для себя типы сигналов из-за различных эволюционных путей пространства.
«Если мы представим всю информацию о том, что произошло до Большого взрыва, в виде кадров фильма, то стандартные часы должны рассказать нам, как его смотреть. Без какой-либо информации о них мы не знаем, должен ли фильм воспроизводиться вперед или назад, быстро или медленно, точно также, как мы не можем сказать, расширялась или сжималась первичная вселенная, и как быстро она это делала. Стандартные часы ставят метки времени на каждом из этих кадров, отснятых до Большого взрыва, и говорят нам, как проигрывать фильм», – добавил Синь Чен.
Художественное представление миссии NASA «SphereX», целью которой станет изучение истоков Вселенной. Запуск намечен на 2023 год. Credit: Caltech
Астрофизики рассчитали, как эти стандартные тактовые сигналы должны выглядеть в неинфляционных теориях, и предложили метод их поиска.
«Если мы сможем найти набор сигналов, указывающих на сжатие первичной вселенной, это уничтожит все инфляционные теории. Однако их будет очень трудно обнаружить, поэтому нам, возможно, придется заглянуть во многие отдаленные уголки космоса. Реликтовое излучение – одно из таких мест, распределение галактик во Вселенной – другое. Мы уже приступили к поискам, и у нас есть несколько интересных кандидатов, но нам нужно больше данных», – заключил Синь Чен.
Ученые отмечают, что будущие миссии, такие как телескоп «Large Synoptic Survey Telescope», космическая обсерватория «Euclid» и недавно одобренный проект «SphereX», предоставят высококачественные данные, которые могут быть использованы для экспериментальной проверки инфляционной модели Вселенной.
