宇宙の誕生に関する有力な仮説 — 宇宙の量子的な斑点が一瞬のうちにエネルギーを与えられて膨張し、赤ちゃんの宇宙を作り出した — は多くのパズルを解決し、これまでのすべての観察に適合します。しかし、この「宇宙インフレーション」仮説には決定的な証拠がありません。原始重力波として知られる、膨張する空間ファブリックで形成されたはずの明らかな波紋は、世界で最も感度の高い望遠鏡によって宇宙の幾何学で検出されていません。彼らの不在は、近年、宇宙形成の弱者理論を助長してきました。それでも、宇宙のインフレーションはぐるぐる回っています。アイデアの多くのバリエーションでは、求められている波紋は弱すぎて観察できません.
「問題は、特定のモデルだけでなく、[インフレ]シナリオ全体をテストできるかどうかです」と、ハーバード大学の天体物理学者で宇宙学者のアヴィ・ローブは述べています。 「いくつかの理論を殺すことができるギロチンがなければ、何の意味がありますか?」
日曜日に物理プレプリント サイト arxiv.org に掲載された新しい論文で、ローブと 2 人のハーバード大学の同僚、Xingang Chen と Zhong-Zhi Xianyu は、そのようなギロチンを提案しました。研究者たちは、宇宙全体の物質分布の振動パターンを予測しました。これが検出されれば、インフレーションと別のシナリオを区別できる可能性があります。特に、ビッグバンは実際には長期の収縮に先行する跳ね返りであるという仮説です。
この論文はまだ査読を受けていませんが、バッファロー大学のインフレーション宇宙学者であり、ストックホルム大学の客員教授であるウィル・キニーは、「私にはその分析が正しいようです」と述べています。彼はその提案を「非常に洗練されたアイデア」と呼んだ.
カリフォルニア工科大学のショーン・キャロル氏は、「信号が本物で観測可能であれば、非常に興味深いものになるでしょう」と電子メールで述べています。
ビッグバンに関する潜在的なヒントは探す価値がありますが、専門家によると、主な問題は、推定される振動パターンが検出するのに十分強いかどうかです。宣伝されているような明確なギロチンではないかもしれません。
存在する場合、信号は宇宙全体の密度の変化として現れるでしょう。巨大なアイスクリームのスクープを空に持って行き、中にいくつの銀河が渦巻いているかを数えることを想像してみてください。これを宇宙全体で何度も行うと、すくい上げられた銀河の数が平均より上または下に変動することがわかります。次に、スクープのサイズを増やします。より多くの宇宙をすくい上げると、捕獲された銀河の数が以前よりも極端に変化していることに気付くかもしれません。 Chen、Loeb、Xianyu の計算によると、徐々に大きなスクープを使用すると、物質密度の変動の振幅は、スケールが上がるにつれて極端な値と小さい値の間で振動するはずです。 「私たちが示したのは」とローブは説明し、これらの振動の形から、「密度摂動が生成されたときに宇宙が膨張または収縮したかどうかを知ることができる」ということであり、それぞれインフレーション宇宙論またはバウンス宇宙論を反映しています.
宇宙形成のどの理論が正しいかに関係なく、宇宙学者は、今日の宇宙全体で観測された密度の変化は、はるか昔に存在した量子場のランダムなリップルによってほぼ確実にシードされたと信じています.
量子の不確実性のために、原始宇宙を満たした量子場は、すべての異なる波長の波紋で変動していたでしょう。定期的に、特定の波長の波が建設的に干渉し、ピークを形成します。つまり、粒子の濃度です。これらの濃度は、後に今日の宇宙でさまざまなスケールで見られる物質密度の変化に発展しました。
しかし、特定の波長のピークが宇宙に凍結した原因は何ですか?新しい論文によると、タイミングは、インフレーション モデルのように宇宙が指数関数的に膨張している間にピークが形成されたか、バウンス モデルのようにゆっくりと収縮している間にピークが形成されたかによって異なります。
バウンスに至るまでに宇宙が収縮した場合、量子場の波紋は縮小されたはずです。ある時点で、観測可能な宇宙は特定の波長のさざ波よりも小さいサイズに収縮するでしょう。バイオリンの共振空洞が小さすぎてチェロの音を出すことができないようなものです。大きすぎる波紋が消えると、その瞬間にそのスケールで存在していたピークや粒子の濃度が何であれ、宇宙に「凍結」されたでしょう。観測可能な宇宙がさらに縮小するにつれて、次第に小さいスケールでのさざ波が消滅し、密度の変化として凍結します。いくつかのサイズの波紋は、重要な瞬間に建設的に干渉し、そのスケールでピーク密度の変動を生み出した可能性がありますが、少し後に消えたわずかに短い波紋は、位相がずれて凍結した可能性があります.これらは高密度と低密度のバリエーション間の振動であり、Chen、Loeb、Xianyu は、銀河のアイスクリーム スクープのサイズを変更すると、理論的に現れるはずだと主張しています。
これらの振動は、代わりに宇宙が急速なインフレーションの期間を経験した場合にも発生します。その場合、それがますます大きくなるにつれて、より大きな波長の量子リップルを適合させることができたでしょう.そのサイズの波紋が形成された瞬間に、密度の変化が各スケールで宇宙に刻印されたはずです.
著者らは、2 つのシナリオにおける振動の形態の質的な違いによって、どちらが発生したかが明らかになると主張しています。どちらの場合も、量子場が急いで通り過ぎたときにテープに目盛りを付けたかのようでした。これは、膨張または収縮する宇宙を表しています。インフレーションのように空間が指数関数的に膨張していた場合、フィールドによって宇宙に刻印された目盛りはますます離れていたでしょう。宇宙が収縮した場合、スケールの関数として、目盛りはますます接近するはずです。したがって、Chen、Loeb、および Xianyu は、スケールの関数としての密度変動のピーク間の変化する分離が、宇宙の進化の歴史を明らかにするはずであると主張しています。 「原始宇宙が実際に膨張していたのか収縮していたのか、そしてそれが急速に膨張していたのか、それとも非常にゆっくりと膨張していたのかを最終的に確認することができます」とチェンは言いました.
振動信号がどのように見えるか、そしてそれがどの程度強いかは、それを作成した可能性のある量子場の未知の性質に依存します。そのような信号を発見することは、それらの原始的な宇宙の成分について教えてくれるでしょう.推定される信号が将来の銀河調査でまったく現れるかどうかについては、Kinney によると、「良いニュース」は、その信号がおそらく「非-ガウス性」:空にある物質の三角形やその他の幾何学的配置であり、インフレーションの詳細を確認して明らかにします。ただし、悪いニュースは、「信号の強度と形式は、値がゼロになる可能性のある定数など、あなたが知らない多くのことに依存するということです」とキニーは言いました。検出可能な信号はありません。」
