Новая теория происхождения Вселенной может переписать учебники физики

Новая космологическая модель предполагает, что ранняя Вселенная могла развить первые зачатки галактик и других крупномасштабных структур без необходимости в гипотетическом скалярном поле, обычно используемом в объяснениях инфляции (или раннего быстрого расширения).

Космология — это наука о происхождении, эволюции и крупномасштабной структуре Вселенной. На протяжении десятилетий космологи работали в рамках инфляционной парадигмы, согласно которой Вселенная расширялась чрезвычайно быстро за долю секунды вскоре после своего возникновения. Эта идея помогает объяснить, как небольшие различия в плотности молодой Вселенной могли в конечном итоге привести к образованию галактик, скоплений галактик и других структур, наблюдаемых сегодня.

Инфляция не является единой моделью. Существует множество версий, и они могут содержать регулируемые значения, известные как свободные параметры. Эти параметры можно изменять в рамках модели, чтобы соответствовать наблюдениям. Это создаёт научную проблему, поскольку может затруднить понимание того, действительно ли модель предсказывает то, что увидят учёные, или же просто подгоняется под существующие данные.

Новое предложение использует другой подход. Оно начинается с состояния, известного как пространство де Ситтера, которое описывает пространство-время, подвергающееся быстрому расширению. Пространство де Ситтера также актуально для современных описаний тёмной энергии, которая связана с наблюдаемым ускоренным расширением Вселенной.

Исследователи не используют отдельное гипотетическое скалярное поле для управления этим расширением. Во многих моделях инфляции это поле называется инфлатоном. Скалярное поле — это физическое поле, значение которого может меняться от точки к точке. Инфлатон — это предполагаемое поле, которое в этих моделях обеспечивает энергию, необходимую для инфляции, а также связано с флуктуациями, которые впоследствии становятся космическими структурами.

Новая модель не требует инфлатона. Вместо этого она начинается с квантовых флуктуаций в пространстве-времени. Квантовая механика — теория, используемая для описания природы на очень малых масштабах, — допускает флуктуации даже тогда, когда система находится в состоянии с наименьшей энергией. В ранней Вселенной эти малые флуктуации могли иметь последствия, ставшие важными на гораздо больших расстояниях по мере расширения Вселенной.

Исследователи сосредотачиваются на флуктуациях самого пространства-времени. Они проявляются как гравитационные волны — рябь в геометрии пространства-времени. Модель предполагает, что эти флуктуации могут взаимодействовать друг с другом и порождать флуктуации другого типа.

Они называются скалярными возмущениями. Проще говоря, это небольшие вариации плотности ранней Вселенной. Они важны, потому что области с немного разной плотностью могли впоследствии под действием гравитации развиться в галактики и более крупные структуры, составляющие сегодняшнюю Вселенную.

Предлагаемый процесс происходит не напрямую. Исследователи утверждают, что скалярные возмущения возникают за счёт эффектов второго порядка, то есть исходные флуктуации могут взаимодействовать друг с другом и создавать дополнительные эффекты. В данном случае тензорные флуктуации, связанные с гравитационными волнами, могут генерировать скалярные флуктуации.

Исследователи рассчитали спектр мощности этих скалярных флуктуаций. Спектр мощности — это способ описания того, насколько сильны флуктуации при разных размерах или масштабах. Он помогает учёным изучать общую картину ранней Вселенной без необходимости отслеживать каждую отдельную галактику или область пространства.

Результаты показывают, что модель создаёт спектр, согласующийся с почти масштабной инвариантностью. Это означает, что флуктуации имеют почти одинаковую силу в широком диапазоне размеров. Почти масштабно-инвариантная картина также является особенностью многих инфляционных моделей и согласуется с наблюдениями ранней Вселенной.

Исследователи также определяют условия, при которых скалярные флуктуации становятся значительными и намного больше, чем породившие их тензорные флуктуации. Это важно, потому что скалярные возмущения обеспечивают различия в плотности, необходимые для последующего формирования космической структуры, в то время как тензорные возмущения соответствуют гравитационным волнам.

Модель также предлагает возможное объяснение того, как мог закончиться период быстрого расширения. Исследователи предполагают естественный переход к радиационно-доминируемой фазе — периоду, когда излучение играло главную роль в контроле расширения Вселенной. Это означает, что модели не нужен отдельный, зависимый от модели механизм для завершения инфляции.

Рауль Хименес сказал: «На протяжении десятилетий мы пытались понять ранние моменты Вселенной с помощью моделей, основанных на элементах, которые мы никогда не наблюдали». Он добавил: «Что делает это предложение захватывающим, так это его простота и проверяемость. Мы не добавляем спекулятивных элементов, а демонстрируем, что гравитации и квантовой механики может быть достаточно, чтобы объяснить, как возникла структура космоса».

Таким образом, основная идея относительно проста, хотя лежащая в её основе физика сложна. Вместо введения инфлатона и выбора свойств этого поля исследователи задаются вопросом, могла ли ранняя Вселенная генерировать собственную структуру с помощью квантовых флуктуаций в гравитации.

Это также меняет способ описания происхождения космической структуры. В предлагаемой модели сначала появляются флуктуации гравитационных волн. В результате их взаимодействия возникают скалярные возмущения. Затем эти различия в плотности могут со временем усиливаться по мере того, как гравитация притягивает больше материи в более плотные области. В конечном итоге этот процесс может привести к образованию галактик, звёзд и планет.

Модель также предназначена для того, чтобы делать предсказания, которые можно проверить. Одним из важных источников информации является космическое микроволновое фоновое излучение, или реликтовое излучение. Реликтовое излучение — это самый древний свет, который можно наблюдать, и оно содержит информацию об условиях в ранней Вселенной. Его небольшие вариации температуры и других свойств позволяют учёным изучать флуктуации, существовавшие, когда Вселенная была намного моложе.

Измерения гравитационных волн могут предоставить ещё один способ проверки этого предложения. Учёные ищут сигналы, которые могут раскрыть информацию о ранней Вселенной, включая возможные гравитационные волны, возникшие на самых ранних её этапах. Наблюдения распределения материи по Вселенной также можно сравнивать с предсказаниями различных космологических моделей.

Это не означает, что новое предложение доказало ошибочность инфляции. Это теоретическая альтернатива, которая ещё нуждается в проверке. Её важность будет зависеть от того, согласуются ли её предсказания с будущими наблюдениями.

Если наблюдения поддержат модель, она может дать объяснение происхождению космической структуры без необходимости в инфлатоне или другом спекулятивном поле. Если её предсказания не совпадут с наблюдениями, модель может быть отвергнута.

Таким образом, предложение сосредоточено на фундаментальном вопросе космологии: могут ли гравитация и квантовая механика, без дополнительных гипотетических ингредиентов, объяснить, как крошечные различия в ранней Вселенной развились в сложную структуру, наблюдаемую сегодня.

Для читателей без физического образования ключевой момент заключается в том, что исследователи пытаются объяснить начало космической структуры, используя меньше допущений. Вместо того чтобы начинать с ненаблюдаемого поля и подгонять его свойства, модель исходит из пространства де Ситтера и квантовых флуктуаций в пространстве-времени. Эти флуктуации могут порождать гравитационные волны, которые, в свою очередь, могут создавать вариации плотности, необходимые для формирования галактик и более крупных структур.

Идея остаётся теоретическим предложением, и в конечном итоге наблюдения определят, насколько она работоспособна. Её проверяемость является ключевой частью исследования, поскольку будущие измерения гравитационных волн, космического микроволнового фонового излучения и распределения материи могут либо подтвердить её предсказания, либо показать, что модель должна быть отвергнута.

TL;DR

• Новая космологическая модель предполагает, что ранняя Вселенная могла произвести зачатки галактик и других крупномасштабных структур без инфлатона — гипотетического скалярного поля, используемого во многих моделях инфляции.

• Вместо того чтобы опираться на регулируемые свободные параметры, модель начинается с пространства де Ситтера и естественных квантовых флуктуаций в пространстве-времени. Эти флуктуации проявляются как гравитационные волны.

• Модель предполагает, что флуктуации гравитационных волн взаимодействовали через эффекты второго порядка, порождая скалярные возмущения, или небольшие различия в плотности ранней Вселенной. Эти различия впоследствии могли бы развиться в галактики, звёзды и планеты.

• Исследователи обнаружили, что результирующие флуктуации обладают почти масштабной инвариантностью, то есть их сила почти одинакова в различных масштабах. Модель также объясняет, как эти скалярные флуктуации могут стать намного сильнее исходных тензорных, или гравитационно-волновых, флуктуаций.

• Предложение включает возможное естественное завершение периода быстрого расширения через переход к радиационно-доминируемой фазе, что позволяет избежать необходимости в отдельном механизме для завершения инфляции.

• Модель всё ещё является теоретической и не доказывает, что инфляция ошибочна. Будущие наблюдения гравитационных волн, космического микроволнового фонового излучения и распределения материи могут поддержать её предсказания или опровергнуть её.

Источник: Университет Барселоны, APS

Эта статья была создана с некоторой помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешённое законом об авторском праве, которое в противном случае может быть нарушающим.

Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.