Космическое танго между очень малым и очень большим

В то время как общая теория относительности Эйнштейна может объяснить множество удивительных астрофизических и космологических явлений, некоторые аспекты свойств Вселенной в самых больших масштабах остаются загадкой.

Новое исследование с использованием петлевой квантовой космологии — теории, которая использует квантовую механику для расширения гравитационной физики за пределы общей теории относительности Эйнштейна — объясняет две главные тайны.

В то время как различия в теориях происходят в мельчайших масштабах — гораздо меньших, чем даже размер протона, они имеют последствия в самых больших доступных масштабах во Вселенной. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, дает новые предсказания о Вселенной, которые могут быть проверены будущими космическими миссиями.

Хотя увеличенная картина Вселенной выглядит довольно однородной, она имеет разную крупномасштабную структуру, например, потому, что галактики и темная материя не равномерно распределены по всей Вселенной.

Происхождение этой структуры было прослежено до крошечных неоднородностей, наблюдаемых в космическом микроволновом фоне (CMB) — излучении, которое было испущено, когда Вселенная была возрастом 380 тысяч лет, и которое мы все еще можем видеть сегодня. Но сам CMB имеет три загадочные особенности, которые считаются аномалиями, потому что их трудно объяснить с помощью известной физики.

«Хотя наблюдение одной из этих аномалий, возможно, и не является статистически примечательным, наблюдение двух или более вместе предполагает, что мы живем в исключительной вселенной», — сказал Донхун Чжон, адъюнкт-профессор астрономии и астрофизики в Пенсильванском университете и автор статьи.

«Недавнее исследование в журнале Nature Astronomy предложило объяснение одной из этих аномалий, которые вызвали так много дополнительных проблем, что они отметили возможный кризис в космологии. — Однако, используя квантовую петлевую космологию, мы естественным образом разрешили две из этих аномалий, избежав потенциального кризиса.»

Исследования, проведенные за последние три десятилетия, значительно улучшили наше понимание ранней Вселенной, в том числе и того, как были созданы неоднородности в CMB. Эти неоднородности являются результатом неизбежных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной.

Во время фазы расширения в очень ранние времена — известной как инфляция, эти первичные, крошечные флуктуации растягивались под действием гравитации и заполняли наблюдаемые неоднородности в CMB.

«Чтобы понять, как возникли первичные семена, нам нужно поближе взглянуть на раннюю Вселенную, где общая теория относительности Эйнштейна рушится», — сказал Абхай Аштекар, профессор физики и директор Института гравитации и космоса штата Пенсильвания.

— Стандартная инфляционная парадигма, основанная на общей теории относительности, рассматривает пространство-время как гладкий континуум. Рассмотрим рубашку, которая выглядит как двумерная поверхность, но при ближайшем рассмотрении вы можете увидеть, что она соткана плотно упакованными одномерными нитями. Таким образом, ткань пространства-времени действительно соткана квантовыми нитями. При учете этих потоков петлевая квантовая космология позволяет нам выйти за пределы континуума, описанного общей теорией относительности, где физика Эйнштейна разрушается — например, за пределы Большого Взрыва.»

Предыдущее исследование ранней Вселенной заменило идею сингулярности Большого взрыва, в которой Вселенная возникла из ничего, Большим отскоком, в котором текущая расширяющаяся Вселенная возникла из сверхсжатой массы, которая была создана, когда Вселенная сжималась в своей предыдущей фазе.

Ученые обнаружили, что все крупномасштабные структуры Вселенной, описываемые общей теорией относительности, в равной степени объясняются инфляцией после этого большого скачка, используя уравнения петлевой квантовой космологии.

В новом исследовании ученые определили, что инфляция в рамках петлевой квантовой космологии также разрешает две из основных аномалий, которые появляются в рамках Общей теории относительности.

«Первичные флуктуации, о которых мы говорим, происходят в невероятно малом планковском масштабе», — говорят исследователи. — Планковская длина примерно на 20 порядков меньше радиуса протона. Но поправки на инфляцию в этом невообразимо малом масштабе одновременно объясняют две аномалии в самых больших масштабах Вселенной, в космическом танго очень малого и очень большого.»

Исследователи также создали новые предсказания о фундаментальном космологическом параметре и первичных гравитационных волнах, которые могут быть проверены во время будущих космических миссий, включая LiteBird и Cosmic Origins Explorer, которые продолжат улучшать наше понимание ранней Вселенной.

Abhay Ashtekar et al, Alleviating the Tension in the Cosmic Microwave Background using Planck-Scale Physics, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.051302