Geekly articles weekly

Lima Prediksi terbesar Inflasi Antariksa

Ini bukan lagi teori spekulatif, karena empat di antaranya telah dikonfirmasi.


Ide-ide ilmiah harus sederhana, jelas dan prediktif. Dan sejauh yang kita tahu hari ini, multital inflasi tidak memiliki sifat seperti itu.
- Paul Steinhart, 2014

Berpikir tentang Dentuman Besar, kita membayangkan titik awal Semesta: keadaan panas, padat, dan meluas dari mana segala sesuatu muncul. Setelah memperhatikan dan mengukur ekspansi Alam Semesta saat ini - galaksi saling bertebaran, kita tidak hanya dapat menentukan nasib Alam Semesta, tetapi juga permulaannya.



Tetapi keadaan yang panas dan padat ini sarat dengan banyak pertanyaan, termasuk:

• Mengapa daerah-daerah kosmos yang sangat terpencil dan berbeda yang tidak dapat bertukar informasi dari awal waktu, dipenuhi dengan kepadatan materi yang sama dan radiasi pada suhu yang sama?

• Mengapa sebuah alam semesta yang akan runtuh jika ada lebih banyak zat di dalamnya, atau diperluas ke keadaan tidak ada, jika ada lebih sedikit zat di dalamnya, begitu seimbang?

• Dan di mana, jika Semesta dulu berada dalam keadaan yang sangat panas dan padat, semua partikel peninggalan berenergi tinggi ini (seperti monopol magnetik) yang secara teoretis mudah dideteksi hari ini?

Jawaban untuk pertanyaan ditemukan pada akhir 1979, awal 1980, ketika Alan Gut mengemukakan teori inflasi kosmik.



Menerima bahwa Big Bang didahului oleh keadaan di mana Alam Semesta tidak dipenuhi dengan materi dan radiasi, tetapi hanya dengan sejumlah besar energi yang melekat dalam kosmos itu sendiri, Gut berhasil menyelesaikan semua masalah ini. Selain itu, pada tahun 1980 perkembangan lain terjadi yang memungkinkan untuk menemukan kelas model baru yang membantu model inflasi mereproduksi Semesta hari ini:

• diisi dengan materi dan radiasi,
• isotropik (sama di semua arah),
• homogen (sama di semua titik),
• panas, padat dan berkembang di kondisi awal.

Model semacam itu dikembangkan oleh Andrey Linde, Paul Steinhart, Andy Albrecht, dan rincian tambahan dikerjakan oleh Henry Tye, Bruce Allen, Alexey Starobinsky, Michael Turner, David Schramm, Rocky Kolb dan lainnya.



Kami menemukan sesuatu yang luar biasa: dua kelas model umum memberi kami semua yang kami butuhkan. Ada inflasi baru, dengan potensi flat di atas, dari mana bidang inflasi bisa "perlahan-lahan meluncur" ke bawah, dan ada inflasi kacau dengan potensi berbentuk-U, dari mana ia juga bisa perlahan-lahan bergulir.

Dalam kedua kasus tersebut, ruang diperluas secara eksponensial, diluruskan, propertinya sama di mana-mana, dan ketika inflasi berakhir, Anda kembali ke alam semesta yang sangat mirip dengan kita. Selain itu, Anda menerima lima prediksi tambahan, pengamatan yang saat itu belum.



1) Alam Semesta. Pada awal 1980-an, kami menyelesaikan survei galaksi, gugus galaksi, dan mulai memahami struktur skala besar alam semesta. Berdasarkan apa yang kami lihat, kami dapat mengukur dua indikator:

• Kerapatan kritis Alam Semesta, yaitu kerapatan materi, yang diperlukan untuk keseimbangan sempurna Semesta antara rekolaps dan ekspansi abadi.
• Kepadatan materi yang sebenarnya di Semesta, tidak hanya materi bercahaya, gas, debu, dan plasma, tetapi semua sumber, termasuk materi gelap, yang memberikan efek gravitasi.

Kami menemukan bahwa indikator kedua berkisar antara 10% hingga 35% dari yang pertama, tergantung pada sumber data. Dengan kata lain, materi di Semesta jauh lebih sedikit daripada jumlah kritis - yang berarti Semesta terbuka.

Tetapi inflasi meramalkan alam semesta yang datar. Dia mengambil Semesta dalam bentuk apa pun dan merentangkannya ke keadaan rata, atau setidaknya ke keadaan tidak dapat dibedakan dari bentuk datar. Banyak orang mencoba membangun model inflasi yang memberi kelengkungan negatif kepada alam semesta (terbuka), tetapi tidak berhasil.



Dengan munculnya era energi gelap sebagai hasil pengamatan supernova pada tahun 1998, diikuti oleh pengumpulan data dalam proyek WMAP, pertama kali dirilis pada tahun 2003 (dan data dari proyek Boomerang, dirilis sedikit lebih awal), kami sampai pada kesimpulan bahwa Alam Semesta sebenarnya datar , dan alasan rendahnya kepadatan materi adalah adanya bentuk energi baru yang tak terduga ini.



2) Alam semesta dengan fluktuasi pada skala yang lebih besar dari cahaya dapat diatasi. Inflasi - menyebabkan ruang alam semesta mengembang secara eksponensial - mengembang apa yang terjadi pada skala yang sangat kecil, hingga yang sangat besar. Today's Universe memiliki ketidakpastian yang melekat pada tingkat kuantum, fluktuasi kecil dalam energi karena prinsip ketidakpastian Heisenberg.

Tetapi selama inflasi, fluktuasi energi berskala kecil ini seharusnya merentang di seluruh alam semesta ke skala makroskopis raksasa, membentang di sepanjang panjangnya! (Secara umum, dan bahkan lebih jauh, karena kita tidak dapat mengamati apa pun yang ada di luar Alam Semesta yang dapat diamati).



Tetapi melihat fluktuasi CMB dalam skala besar, yang dapat dilakukan oleh proyek COBE sampai batas tertentu pada tahun 1992, kami menemukan fluktuasi ini. Dan dengan hasil yang ditingkatkan dari WMAP, kami dapat mengukur besarnya mereka dan melihat bahwa mereka konsisten dengan perkiraan inflasi.



3) Alam semesta dengan fluktuasi adiabatik, yaitu, dengan entropi yang identik secara universal. Fluktuasi dapat berbeda: adiabatik, kelengkungan konstan, atau campuran dari kedua jenis. Inflasi memperkirakan fluktuasi adiabatik 100%, yang berarti adanya parameter CMB yang terdefinisi dengan baik yang dapat diukur dalam WMAP, dan struktur skala besar yang diukur dalam proyek 2dF dan SDSS. Jika radiasi ulang dan fluktuasi skala besar saling terkait satu sama lain, keduanya adiabatik, dan jika tidak, fluktuasi dapat konstan. Jika Semesta memiliki serangkaian fluktuasi yang berbeda, kita tidak akan tahu tentang ini sampai tahun 2000!



Tetapi poin ini diterima begitu saja, berkat keberhasilan teori inflasi yang lain, sehingga konfirmasinya hampir tidak diperhatikan. Itu hanya konfirmasi dari apa yang sudah kita “ketahui”, meskipun dalam kenyataannya itu sama revolusionernya dengan yang lainnya.



4) Alam semesta di mana spektrum fluktuasi sedikit lebih kecil daripada spektrum invarian (n s <1). Ini prediksi serius! Tentu saja, inflasi, secara umum, memprediksi bahwa fluktuasi harus berskala-invarian. Tetapi ada tangkapan, atau klarifikasi: bentuk potensi inflasi mempengaruhi bagaimana spektrum fluktuasi berbeda dari invarian skala ideal.

Model kerja yang ditemukan pada 1980-an meramalkan bahwa spektrum fluktuasi (scalar spectral index, n s) harus sedikit kurang dari 1, di suatu tempat antara 0,92 dan 0,98, tergantung pada model yang digunakan.



Ketika kami menerima data pengamatan, kami menemukan bahwa kuantitas yang diukur, n s , adalah sekitar 0,97, dengan kesalahan (menurut pengukuran CMB oleh proyek PAB) dari 0,012. Mereka pertama kali diperhatikan dalam WMAP, dan pengamatan ini tidak hanya dikonfirmasi, tetapi juga diperkuat oleh waktu oleh orang lain. Ini memang kurang dari satu, dan hanya inflasi yang membuat prediksi ini.



5) Dan akhirnya, Alam Semesta dengan spektrum fluktuasi gelombang gravitasi tertentu. Ini adalah prediksi terakhir, satu-satunya prediksi utama yang belum dikonfirmasi. Beberapa model - misalnya, model inflasi kacau Linde - menghasilkan gelombang gravitasi skala besar (gelombang tersebut seharusnya diperhatikan oleh BICEP2), sementara yang lain, seperti model Albrecht-Steinhardt, dapat menghasilkan gelombang gravitasi yang sangat kecil.



Kita tahu spektrum apa yang seharusnya mereka miliki, dan bagaimana gelombang ini berinteraksi dengan fluktuasi dalam polarisasi radiasi CMB. Ketidakpastian hanya dalam kekuatan mereka, yang mungkin terlalu kecil untuk diamati, tergantung pada model inflasi mana yang benar.

Pikirkan hal itu lain kali ketika Anda membaca artikel tentang sifat spekulatif teori inflasi, atau tentang bagaimana salah satu pendiri teori meragukan kebenarannya. Ya, orang berusaha menemukan lubang dalam teori terbaik dan mencari alternatif; kami, para ilmuwan, sedang melakukan ini.



Tetapi inflasi bukanlah sejenis monster teoretis, terpisah dari pengamatan. Dia membuat lima prediksi baru, empat di antaranya kami konfirmasikan! Dia mungkin telah meramalkan hal-hal yang belum kita ketahui cara memverifikasi, seperti multiverse, tetapi itu tidak merampas kesuksesannya.

Teori inflasi kosmik tidak lagi spekulatif. Berkat pengamatan radiasi peninggalan dan struktur Semesta yang berskala besar, kami dapat mengkonfirmasi ramalannya. Ini adalah yang pertama dari semua peristiwa yang terjadi di alam semesta kita. Inflasi kosmik terjadi sebelum Big Bang dan mempersiapkan segalanya untuk kemunculannya. Dan mungkin kita masih bisa belajar banyak berkat dia!

Source: https://habr.com/ru/post/id399505/

More articles:


All Articles