Nach dem kosmologischen Modell des Urknalls begann unser Universum vor 13,8 Milliarden Jahren, als sich die gesamte Materie und Energie im Kosmos auszudehnen begann. Es wird angenommen, dass diese Periode der „kosmischen Inflation“ für die großräumige Struktur des Universums verantwortlich ist und warum der Raum und der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) in alle Richtungen weitgehend einheitlich zu sein scheinen.
Bisher wurden jedoch keine Beweise gefunden, die das kosmische Inflationsszenario definitiv beweisen oder alternative Theorien ausschließen könnten. Dank einer neuen Studie eines Teams von Astronomen der Harvard University und des Harvard-Smithsonian-Zentrums für Astrophysik (CfA) können Wissenschaftler möglicherweise einen der wichtigsten Teile des kosmologischen Urknallmodells auf neue Weise testen.
Ihr Artikel mit dem Titel „Einzigartige Fingerabdrücke von Alternativen zur Inflation im primordialen Leistungsspektrum“ erschien kürzlich online und wird zur Veröffentlichung in der EU in Betracht gezogen Briefe zur körperlichen Überprüfung. Die Studie wurde von Xingang Chen und Abraham Loeb - einem Dozenten an der Harvard University und dem Frank D. Baird-Lehrstuhl für Astronomie an der Harvard University - und Zhong-Zhi Xianyu, einem Postdoktoranden am Department of Physics der Harvard University, durchgeführt.
In der physikalischen Kosmologie heißt es in der Theorie der kosmischen Inflation: 10-36 Sekunden nach dem Urknall begann sich die Singularität, in der alle Materie und Energie konzentriert waren, auszudehnen. Es wird angenommen, dass diese „Inflationsepoche“ bis 10 Jahre gedauert hat-33 bis 10-32 Sekunden nach dem Urknall; Danach begann sich das Universum langsamer auszudehnen. In Übereinstimmung mit dieser Theorie war die anfängliche Expansion des Universums schneller als die Lichtgeschwindigkeit.
Die Theorie, dass eine solche Epoche existiert, ist für Kosmologen nützlich, weil sie erklärt, warum das Universum in Regionen, die sehr weit voneinander entfernt sind, nahezu dieselben Bedingungen hat. Wenn der Kosmos aus einem winzigen Raumvolumen stammt, das aufgeblasen wurde, um größer zu werden, als wir derzeit beobachten können, würde dies erklären, warum die großräumige Struktur des Universums nahezu einheitlich und homogen ist.
Dies ist jedoch keineswegs die einzige Erklärung dafür, wie das Universum entstanden ist, und die Fähigkeit, eines von ihnen zu fälschen, hat historisch gefehlt. Wie Professor Abraham Loeb dem Space Magazine per E-Mail sagte:
„Obwohl viele beobachtete Eigenschaften der Strukturen in unserem Universum mit dem Inflationsszenario übereinstimmen, gibt es so viele Inflationsmodelle, dass es schwierig ist, sie zu fälschen. Die Inflation führte auch zu der Vorstellung des Multiversums, in dem alles, was passieren kann, unendlich oft passieren wird, und eine solche Theorie kann nicht durch Experimente verfälscht werden, was das Markenzeichen der traditionellen Physik ist. Mittlerweile gibt es konkurrierende Szenarien ohne Inflation, in denen sich das Universum zuerst zusammenzieht und dann abprallt, anstatt bei einem Urknall zu beginnen. Diese Szenarien könnten mit den aktuellen Inflationswerten übereinstimmen. “
Für ihre Studie entwickelten Loeb und seine Kollegen eine modellunabhängige Methode, um Inflation von alternativen Szenarien zu unterscheiden. Im Wesentlichen schlagen sie vor, dass massive Felder im Uruniversum Quantenfluktuationen und Dichtestörungen erfahren würden, die die Skala des frühen Universums als Funktion der Zeit direkt erfassen würden - d. H. Sie würden als eine Art „Standarduhr des Universums“ fungieren.
Indem sie die Signale messen, von denen sie vorhersagen, dass sie von diesen Feldern kommen würden, nehmen sie an, dass Kosmologen in der Lage wären zu erkennen, ob während einer Kontraktions- oder Expansionsphase des frühen Universums Schwankungen der Dichte aufgetreten sind. Dies würde es ihnen effektiv ermöglichen, Alternativen zur kosmischen Inflation auszuschließen (wie das Big Bounce-Szenario). Wie Loeb erklärte:
„In den meisten Szenarien ist es natürlich, im frühen Universum ein massives Feld zu haben. Die Störungen im massiven Feld auf einer bestimmten räumlichen Skala schwingen zeitlich wie eine Kugel, die in einem Potentialtopf auf und ab geht, wobei die Masse die Frequenz der Schwingungen bestimmt. Die Entwicklung der Störungen hängt jedoch auch von der betrachteten räumlichen Skala sowie vom Hintergrundskalenfaktor ab (der bei generischen Inflationsmodellen exponentiell zunimmt, bei kontrahierenden Modellen jedoch abnimmt). “
Diese Störungen, so Loeb, würden die Ursache für alle von Astronomen im Space Magazine beobachteten Dichteschwankungen sein. Wie diese Variationen geformt wurden, kann durch Beobachtung des Hintergrunduniversums bestimmt werden - insbesondere, ob es sich ausdehnt oder zusammenzieht, zwischen denen Astronomen unterscheiden können.
"In meiner Metapher beeinflusst der Skalierungsfaktor des Universums die Geschwindigkeit, mit der ein Band gezogen wird, wenn die Uhr Häkchen hinterlässt", fügte Loeb hinzu. "Das neue Signal, das wir vorhersagen, prägt, wie sich der Grad der Ungleichmäßigkeiten im Universum mit der räumlichen Skalierung ändert."
Kurz gesagt, Loeb und seine Kollegen identifizierten ein potenzielles Signal, das mit aktuellen Instrumenten gemessen werden konnte. Dazu gehören diejenigen, die sich mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) befasst haben - wie die der ESA Planck Weltraumobservatorium - und diejenigen, die Galaxienvermessungen durchgeführt haben - das Sloan Digital Sky Survey, das VLT Survey Telescope, das Dragonfly Telescope usw.
In früheren Studien wurde vorgeschlagen, dass Dichteschwankungen im Uruniversum festgestellt werden könnten, indem nach Hinweisen auf Nicht-Gauß-Werte gesucht wird, bei denen es sich um Korrekturen für die Schätzung der Gauß-Funktion zur Messung einer physikalischen Größe handelt - in diesem Fall des CMB. Aber wie Loeb es ausdrückte, müssen diese noch entdeckt werden:
„Das neue Oszillationssignal befindet sich im Leistungsspektrum von Störungen der Urdichte (das routinemäßig anhand des kosmischen Mikrowellenhintergrunds [CMB] oder von Galaxienuntersuchungen gemessen wird), während frühere Vorschläge in der Literatur Auswirkungen auf Nicht-Gauß-Effekte beinhalteten, die viel mehr sind schwierig zu messen (und wurden noch nicht erkannt). Die in unserem Artikel vorgestellten Ergebnisse sind sehr aktuell, da durch neue Beobachtungen der CMB-Anisotropien und Galaxienuntersuchungen erweiterte Datensätze gesammelt werden. “
Zu verstehen, wie unser Universum begann, ist vielleicht die grundlegendste Frage in Wissenschaft und Kosmologie. Wenn durch die Anwendung dieser Methode alternative Erklärungen für den Beginn des Universums ausgeschlossen werden können, werden wir der Bestimmung der Ursprünge von Zeit, Raum und Leben selbst einen Schritt näher kommen. Die Fragen "Woher kommen wir?" und "wie hat alles angefangen?" kann endlich eine endgültige Antwort haben!
