Bukti keberadaan alam semesta sebelum Big Bang
Bagaimana karakteristik berdasarkan pengamatan inflasi kosmik dapat memproklamasikan revolusi ilmiah abad ini (18 Maret 2014)
Terlepas dari namanya, Teori Big Bang bukanlah teori sama sekali. Ini adalah teori tentang konsekuensi ledakan.
- Alan Guth
Ketika Anda membayangkan permulaan Alam Semesta, Anda mungkin memikirkan keadaan panas dan padat yang dipenuhi dengan materi dan radiasi, yang mengembang dan mendingin dengan sangat cepat (dan, omong-omong, itu saja). Tetapi yang tidak bisa dilakukan adalah mengekstrapolasi kembali ke keadaan panas dan padat semena-mena. Anda mungkin berpikir bahwa tanpa masalah Anda akan kembali ke masa lalu, ke "singularitas" dengan suhu dan kepadatan yang tak terbatas, ketika semua energi Alam Semesta telah dikompresi menjadi satu titik - tetapi ini tidak benar.
Salah satu fitur besar dari alam semesta adalah bahwa radiasi yang berasal pada saat itu masih ada. Ini mengalami refleksi dari partikel bermuatan selama masa Semesta, mantan pemuda, panas dan terionisasi (dan ini berlangsung selama 380.000 tahun). Ketika Alam Semesta menjadi netral secara elektris (ketika materi pertama kali membentuk atom-atom netral), radiasi dari Big Bang mengalir dalam garis lurus, tidak terputus oleh materi netral ini.
Ketika Semesta mengembang - karena fakta bahwa energi radiasi ditentukan oleh panjang gelombang - panjang gelombang ini telah direntangkan seiring dengan perluasan ruang, dan energi sejak itu telah jatuh sangat banyak. Tetapi ini banyak membantu kita, karena menyediakan bahan untuk observasi.
Dan jika kita bisa melihat dan mengukur gelombang ini, mereka akan memberi kita jendela untuk melihat ke Semesta awal! Maka, pada 1960-an, Arno Penzias dan Robert Wilson menemukan cahaya sisa dari Big Bang - radiasi yang menyebar secara seragam ke segala arah, hanya beberapa derajat di atas nol mutlak - dan di dalamnya, para ilmuwan segera mengenali radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik, yang sudah lama dicari!
Setelah 50 tahun, kami telah membuat kemajuan luar biasa. Kami tidak hanya dapat mengukur spektrum energi dari radiasi ini, tetapi juga untuk mengukur fluktuasi suhu kecil yang melekat di dalamnya, serta skala mereka, hubungan mereka satu sama lain dan bagaimana semua itu berkaitan dengan evolusi Semesta.
Secara khusus, kami mempelajari seperti apa alam semesta pada usia 380.000 tahun, terbuat dari apa, dan bagaimana interaksi materi mempengaruhi radiasi pada jalurnya menuju mata kita dengan panjang 13,8 miliar tahun.Tetapi ada hal lain yang dapat memberi kita informasi tentang hal-hal ini: kita tidak hanya dapat mempelajari energi dan suhu cahaya, tetapi juga polarisasinya. Biarkan saya jelaskan.
Padahal, cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Ini berarti bahwa ia terdiri dari medan listrik dan magnet yang berosilasi tegak lurus satu sama lain, ia memiliki panjang gelombang khusus (ditentukan oleh energi), dan merambat dengan kecepatan cahaya.Terbang melewati partikel bermuatan, yang dipantulkan dari permukaan, berinteraksi dengan fenomena elektromagnetik lainnya, medan listrik dan magnet bereaksi dengan lingkungannya.
Awalnya, cahaya yang diterima harus tidak terpolarisasi, tetapi sejumlah besar hal mengarah pada polarisasi dalam berbagai cara. Dengan kata lain, cahaya, yang biasanya memiliki medan listrik dan medan magnet yang acak, dapat mengalami interaksi sehingga mereka akan memiliki orientasi yang lebih disukai. Dan sekarang dia akan dapat memberi tahu kita banyak hal informatif tentang siapa yang berinteraksi dengan cahaya sepanjang sejarahnya.
Efek polarisasi dari radiasi gelombang mikro latar belakang pertama kali ditemukan dalam dekade terakhir menggunakan satelit WMAP, dan hasil yang lebih baik diharapkan dari Observatorium Planck di masa depan (tetapi jenis penelitian ini, harus dicatat, sangat sulit untuk diterapkan). Polarisasi yang menyebabkan cahaya tampak "radial" disebut mode-E polarisasi (untuk medan listrik), dan yang menyebabkan cahaya "terpuntir" disebut mode-B polarisasi (untuk medan magnet).
Sebagian besar efek yang diamati adalah karena miliaran tahun cahaya materi yang telah melewati cahaya; kami menyebutnya "latar depan." Dia harus pergi jauh-jauh ke segala arah dari era radiasi untuk mencapai mata kita hari ini.
Tetapi, bagian kecil dari polarisasi seharusnya mencapai kita dari masa sebelumnya. Anda tahu, sebelum Dentuman Besar - sebelum Semesta secara umum dapat digambarkan sebagai panas, padat, dan penuh dengan materi dan radiasi - Semesta hanya berkembang secara eksponensial; itu adalah periode inflasi kosmik. Pada saat ini, alam semesta didominasi oleh energi yang terkandung dalam ruang paling kosong - energi dalam jumlah yang jauh lebih besar daripada yang ada di dalamnya saat ini.
Pada saat ini, fluktuasi kuantum - yang melekat dalam ruang itu sendiri - membentang di Semesta, dan memberikan fluktuasi kerapatan awal yang memunculkan Alam Semesta saat ini.Tetapi hanya di daerah di mana inflasi berakhir, dan di mana energi yang melekat dalam ruang ini diubah menjadi materi dan radiasi, dan Big Bang terjadi.
Dan di wilayah ini - di mana inflasi berakhir - kita memiliki alam semesta yang jauh lebih besar daripada bagian yang diamati. Ini adalah ide dari multiverse, dan itulah sebabnya kami percaya bahwa, kemungkinan besar, kami hidup di dalamnya.
Bagaimana dengan inflasi ini sendiri? Bisakah kita mencari tahu tentangnya?Anda dapat memutuskan bahwa fluktuasi kuantum - dan fluktuasi kepadatan yang mereka tabur - adalah yang kita miliki. Dan sampai baru-baru ini, aku akan memberitahumu begitu. Namun secara teori, inflasi juga menghasilkan gelombang gravitasi, yang masih belum dapat kita deteksi. LISA, antena luar angkasa dari interferometer laser (proyek yang paling baik ditunda pada tahun 2030-an), adalah harapan terbaik kami untuk deteksi gelombang langsung.
Tetapi bahkan tanpa LISA, gelombang gravitasi dapat dideteksi dengan metode tidak langsung. Meskipun gelombang gravitasi dan cahaya bergerak dengan kecepatan yang sama, cahaya melambat saat melewati medium. Ini terjadi bahkan dalam media yang sangat jarang seperti ruang intergalaksi dan antarbintang! Dan karena gelombang gravitasi tidak melambat - mereka hanya dipengaruhi oleh kelengkungan ruang-waktu - mereka menyalip cahaya dan menyebabkan polarisasi!
Secara umum, itu adalah deformasi ruang-waktu pada skala tertentu yang meregangkan gelombang cahaya dengan cara tertentu ketika mereka melakukan perjalanan dari Big Bang ke mata kita.
Secara khusus, fitur karakteristik gelombang gravitasi harus muncul sebagai mode-B polarisasi, dan mereka harus meninggalkan pola spesifik dalam skala besar.Meskipun Observatorium Planck harus melihat dan mengonfirmasi hal ini, itu ada di depan tim yang bekerja di Kutub Selatan: BICEP2!
Pada skala urutan 1,5 derajat, mode-B polarisasi sangat jelas, dan telah dinyatakan terbuka, meskipun dengan signifikansi 2,7σ (catatan: pada skala ini signifikansi 5,2σ, tetapi mereka perlu meyakinkan semua orang bahwa tingkat deteksi ini tidak muncul berkat kombinasi foreground dan sistematika). 2.7σ berarti ada kemungkinan 2% bahwa deteksi ini salah dan akan hilang dengan lebih banyak data. Tetapi dalam dunia sains ini adalah probabilitas yang agak tinggi, oleh karena itu, untuk saat ini, penemuan ini tidak boleh dianggap sebagai fait accompli.
Jika pembukaan lulus ujian, itu akan menjadi peristiwa yang sangat serius. Inilah yang perlu kita ukur, dan tidak hanya untuk mengetahui apakah inflasi itu (kemungkinan besar, memang demikian), tetapi untuk mengetahui model inflasi mana yang menggambarkan Semesta?Plank, setelah merilis hasil pertamanya tahun lalu, tidak menemukan apa pun.
Ada beberapa jenis umum inflasi yang dapat terjadi: khususnya, jika nilai r dalam grafik ini ternyata nol, ini akan mendukung model "lapangan kecil", dan jika ternyata menjadi sesuatu yang besar (misalnya, 0,2, dinilai oleh oleh hasil ini), ini akan menjadi bukti dari model "bidang besar".
Apakah ini hasil yang pasti? Tidak. Kami membutuhkan statistik yang jauh lebih baik untuk menyatakan penemuan ini - kami tidak dapat menerima hasil ini dan menyatakan: "ya, ini adalah gelombang gravitasi awal yang tersisa dari inflasi", karena kami membutuhkan bukti yang lebih baik. 2.7σ tidak buruk, tetapi dalam dunia fisika yang kejam kita membutuhkan hasil 5σ yang dikonfirmasi. Tempat sampah sejarah fisika penuh dengan "penemuan" dengan 3σ yang menghilang dengan kedatangan data baru.Kita tahu bahwa inflasi adalah; asal-usul struktur di Alam Semesta - penampilannya saat ini, penampilannya 13,8 miliar tahun yang lalu, dan di mana pun di jurang - telah memberi tahu kita tentang hal ini. Tetapi ada kemungkinan, dan petunjuk pertama bahwa gelombang gravitasi juga bisa tetap. Dan jika ternyata kami benar-benar melihat mereka, kami harus mendapatkan konfirmasi tentang ini dalam beberapa tahun mendatang. Tetapi jika pengamatan menjadi tidak signifikan ketika data dikumpulkan, ini tidak berarti bahwa model inflasi tidak benar - hanya saja tidak menghasilkan mode-B terkuat.
Ini belum merupakan "penemuan", tetapi petunjuk bahwa kita mungkin menemukan sesuatu yang luar biasa: petunjuk pertama tentang bagaimana alam semesta kita dilahirkan. Jika dia ternyata benar, itu akan menjadi penemuan abad ini. Tetapi jika data baru membantahnya - yang mungkin terjadi - ini tidak berarti bahwa model inflasi salah; ini berarti bahwa gelombang gravitasi dari inflasi lebih kecil dari model paling optimis yang diprediksi.Tapi apakah itu nyata atau tidak, kita masih belajar sedikit tentang bagaimana seluruh alam semesta kita muncul.Pembaruan: dalam komentar pada artikel asli, pembaca melaporkan bahwa arti lebih dari 5σ disebutkan dalam karya ini. Secara khusus, mereka melihat bagian tertentu dari skala sudut, di mana mereka benar-benar melihat sinyal dengan signifikansi 5.2σ.
Bisakah fokus bertanggung jawab untuk ini? Ini adalah satu-satunya komponen yang dapat dicoret - jika, tentu saja, saya benar memahami pekerjaan - dengan signifikansi hanya 2.7σ.Lihat sendiri.
Signifikansi hasil tidak lebih tinggi dari sumber ketidakpastian yang paling mungkin, dan bahkan jika r dapat sama dengan nol, sangat penting untuk mengecualikan kemungkinan ini. Dalam pekerjaan itu, mungkin telah dikeluarkan, tetapi bagi saya tampaknya hal ini tidak dilakukan dengan jelas dan jelas. Meskipun demikian, saya sangat tertarik dengan bagaimana semua ini akan berkembang! Jika mereka mengecualikan fokus dengan cara yang sama dengan emisi synchrotron, batasan 5σ akan terpenuhi, dan ini sudah berarti Nobel!Catatan selanjutnya pada artikel yang ditulis 18 Maret 2014:Pada 17 Maret 2014, para ilmuwan dari Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian mengumumkan penemuan mode B pada r = 0,2. Namun, analisis selanjutnya (diterbitkan 19 September 2014), yang dilakukan oleh kelompok peneliti lain yang menggunakan data dari Planck Observatory, menunjukkan bahwa hasil BICEP2 dapat sepenuhnya dikaitkan dengan debu galaksi.Source: https://habr.com/ru/post/id395011/
All Articles