Епохално: открито е свидетелство за космическата инфлация

По-рано тази седмица астрономите са открили първото наистина безспорно свидетелство за космическата инфлация - предполагаемото драматично разширение на Вселената, което е привнесло "взривния" елемент в така наречения Голям взрив, настъпил преди около 13.8 млрд. години.

Ако издържи на проверката, това епохално откритие ще потвърди съществуването на хипотетичните остатъчни вълнички в структурата на пространство-времето, известни като "гравитационни вълни" и ще ни позволи да вникнем по-дълбоко в същината на самия Голям взрив и събитията, протекли веднага след него.

Това се очертава като най-важното откритие след Закона на Хъбъл, според който Вселената се разширява с все по-голяма скорост и който е отворил широко вратата към разгадаването на мистериозната тъмна енергия (донесла на откривателите си Нобелова награда за физика през 2011 г.).

На 17-ти март екипът на Джон Ковач от Центъра по Астрофизика към Харвард и Смитсониън оповестиха резултатите от изследването си в престижното списание Nature. Малко по-късно списанието публикува и видео презентация, която дава допълнителни разяснения. Цялата пресконференция на екипа на Ковач можете да гледате в края на този пост.

За да разберем какво точно означава да откриеш "следа" от първите мигове на Вселената, първо ще трябва да проследим нейните ранни стадии на развитие.

Нарастване на Вселената

Извънредно кратката и главозамайваща епоха на космическата инфлация тансформира ранната Вселена от обикновена квантова флуктуация в нещо с макроскопични размери. Според сегашната доминираща теория, 10^-35 sec (т.е. около една трилионна част от трилионната от трилионната от секундата) след раждането на Вселената, пространство-времето се разширило невероятно бързо, раздувайки се във всички посоки със скорост, многократно надвишаваща светлинната. (Това не е в разрез с Айнщайновата Специална теория на относителността, която постулира, че нищо не може да се движи през пространството по-бързо от светлината - тъй като при космическата инфлация се разширява самото пространство).

Основната инфлационна теория е била косвено потвърдена от няколко мисии в космоса, които подробно са картографирали остатъчното микровълново лъчение (CMB) - най-древният топлинен отпечатък от раждането на Вселената, който е останал от онзи момент 380 хил. г. след Големия взрив, когато Вселената е престанала да бъде непрогледна вряща мъгла от плазма и енергия, твърде гореща, за да позволи на фотоните да преминават свободно през нея.

Макар и да съдържа забележими температурни вариации, всъщност това лъчение в общи линии е поразително равномерно във всички части на обема на Вселената - което значително подсилва теорията за космическата инфлация. Причината е, че без наличие на инфлация, която да последва евентуална по-ранна фаза на бавно разширение на един обем от пространството, намиращ се в топлинно равновесие, при едно свръхсветлинно разширение отделните части на Вселената не биха могли да комуникират помежду си и така да постигнат такава забележителна равномерност на топлинния фон.

"По каква точно причина остатъчната микровълнова радиация е толкова еднаква в различните части на небето би си останало една мистерия, ако не беше космическата инфлация - сега вече можем да кажем, че цялото небе произхожда от един и същи регион, който първо е постигнал вътрешно термично равновесие, а едва след това се е разширил неимоверно", отбелязва Чък Бенет, главният изследовател по проекта на NASA, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). "Така че идеята за космическата инфлация помага да отговорим на някои от тези въпроси, тъй като дава обяснение откъде произхождат тези флуктуации".

Поляризирана светлина

Самото конкретно доказателство представлява един характерен тип поляризация на остатъчното микровълново лъчение, известно като "B-модул". Зрелищното разширяване на Вселената по време на инфлационния етап би следвало да предизвика появата на т.нар. гравитационни вълни, които на свой ред пораждат въпросните B-модули.

Така че няколко отделни екипа от доста време търсят свидетелство за тези B-модули. В действителност, миналата година Бенет нарече евентуалното им откриване "настоящият Свети Граал в нашата наука". В сега оповестените от Ковач резултати е отбелязано, че екипът му е засякъл характерните завихряния в B-поляризацията на остатъчното лъчение, използвайки телескопа BICEP2 в Антарктика. (BICEP е съкращение на Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). Изследователите са съставили карти със свръхвисока разделителна способност на лъчението, фокусирайки се върху 2% от видимото небе:

Предсказаните от Айнщайн гравитационни вълни, които са следствие от космическата инфлация, предизвикват дребни, но разпоznаваеми "усукани" форми в поляризацията на остатъчното микровълново лъчение.

"Южният полюс е мястото, което доближава земната повърхност до космоса възможно най-много", казва Ковач в изявлението си. "Това е едно от най-сухите и безоблачни места на Земята и това го прави идеално за наблюдение на миниатюрните колебания във фоновото лъчение, останало след Големия взрив".

Самият Айнщайн е предсказал съществуването на гравитационните вълни през 1916 г., вследствие от неговата Обща теория на относителността. Новата находка е първото директно свидетелство за тези първични вълнички в пространство-времето.

"Това вероятно е първата наистина директна снимка на ранната Вселена", казва Ковач. Съзнавайки огромния потенциал в това откритие, той и неговите колеги в продължение на някоко години безкрайно педантично изследват данните от BICEP2, за да се уверят, че приеманият сигнал не е дело на някакъв дефект в измервателната апаратура. "В резултат сега сме съвсем уверени, че сигналът, който получаваме, е истински и идва от космоса", казва той в заключение.

Все пак Ковач е наясно, че сега резултатите следва да бъдат подложени на изключително щателен преглед от научната общност, за да се изключи всякаква възможност за грешна преценка. "Това ще предизвика истински фурор", казва той. "Можем да очакваме, че множество хора ще се опитат да намерят пукнатини в теорията и ще се упражняват в стрелба по нея от всяка възможна позиция. Но това е нормално и ние го приветстваме. Точно така трябва да действа науката. Точно това я прави толкова вълнуваща".

"Сигурен съм, че ще има много дискусии за структурата на пространство-времето и разпределението на галактиките из Вселената, както и съмнения дали не се лъжем в оценката си на наблюдаваните явления и дали те не ни говорят за нещо съвсем различно от това, което ние си въобразяваме, че виждаме", добавя Ковач. "Но пък нашето изследване разглежда в големи детайли възможно най-добрите модели и обяснения на резултатите от нашите наблюдения, което от своя страна ни дава увереност, че сме на прав път".

Въпреки убедителността на резултатите, за да бъдат широко приети, първо ще се наложи намесата и на други инструменти като например космическия апарат Планк на Европейската Космическа Агенция, които също ще трябва да препотвърдят колебанията в поляризацията на остатъчното микровълново лъчение.

Колебанията в ранното микровълново лъчение са предпоставили по-нататъшното формиране на галактическите системи. Сега обаче под обичайно наблюдавания мащаб на вълновите колебания се наблюдават далеч по-миниатюрни завихряния (B-модули) в поляризацията на лъчението, които съответстват на предсказания от Айнщайн ефект от гравитационните вълни, предизвикани от екстреминте условия на космическата инфлация в ранните стадии на развитие на Вселената.

"Мисля, че най-вълнуващото нещо, за което ще трябва да следим през следващите няколко месеца е какво ще е заключението на колегите от екипа на космическия апарат Планк", казва Льоб, член на екипа на Ковач. "Вероятно ще им отнеме известно време да анализират цялата информация, но тяхната присъда ще бъде наистина от решаващо значение за потвърждаването или отхвърлянето на нашето откритие".

Освен че предоставят силно свидетелство за инфлационната теория, резултатите на BICEP2 разкриват и някои подробности за самия процес на космическа инфлация. Така например, интензитетът на сигнала на B-модулите подсказва, че инфлацията се е случила при невъобразимо огромни нива на енергия - толкова високи, че всички основни физични сили (с изключение на гравитацията) са били слети в една-единствена фундаментална сила. Вследствие на по-нататъшното разреждане и охлаждане на Вселената е настъпило нарушаване на тази симетрия и така са се отделили днес познатите ни силна ядрена сила, слаба ядрена сила и електромагнетизъм.

Все пак има още какво да се открива относно най-ранните моменти от съществуването на Вселената. Така например, астрономите и астрофизиците все още си нямат никаква идея какво точно представлява субстанцията, която е предизвикала внезапната инфлация - засега тя е наричана с условното понятие "инфлатон".

"Все още не може да се твърди, че това е една победа за теоретичната физика, макар и вече да разполагаме с доказателство, че такъв процес наистина е настъпил в първите мигове", казва Льоб. "Сега трябва да насочим вниманието си към разгадаване същността на тази мистериозна субстанция, инфлатона. И докато това не бъде сторено, той ще си остане в същата категория като тъмната материя и тъмната енергия - нещо, на което сме дали наименование, но все още не разбираме".

Но нали тъкмо това й е интересното на науката - че след всеки покорен връх на познанието се разкриват още безброй нови върхове за покоряване.

Това се случи Dnes, за важното през деня ни последвайте и в Google News Showcase.

Добави ни в предпочитани източници в Google

→