Американские ученые с помощью математических инструментов описали неоднородности реликтового космического излучения, возникшего непосредственно после зарождения Вселенной. Авторы считают, что их результаты подтверждают правильность гипотезы Большого отскока, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада некой «предыдущей» вселенной. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В то время как теория общей относительности Эйнштейна объясняет широкий спектр астрофизических и космологических явлений, некоторые свойства Вселенной остаются загадкой. В частности, она не может объяснить неравномерность распределения в пространстве галактик и темной материи.
Сотрудники Университета штата Пенсильвания начиная с 1980-х годов разрабатывают космологическую парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Эта парадигма, получившая название петлевой квантовой космологии, описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.
Согласно общепринятой теории Большого взрыва, все началось с сингулярности — состояния, в котором вся материя и энергия были сжаты в одну точку. Затем, в первые доли секунды, в период, называемый инфляцией, космос раздулся до огромных размеров. Но теория Большого взрыва не объясняет, что было до сингулярности, поэтому это состояние невозможно описать с точки зрения законов физики и математики.
Ученые из Университета штата Пенсильвания придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из сверхсжатой массы вселенной предыдущей фазы. Для описания этого состояния они используют универсальный математический аппарат, объединяющий квантовую механику и теорию относительности.
Происхождение структуры Вселенной авторы прослеживают до мельчайших неоднородностей, фиксируемых на фоне сверхвысокочастотного реликтового космического излучения, которое было испущено, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет.
Но само это излучение обладает тремя загадочными аномалиями, которые трудно объяснить с помощью классической физики. Эти отклонения настолько серьезные, что многие физики начали говорить о кризисе в космологии.
В новом исследовании ученые доказывают, что с точки зрения петлевой квантовой космологии описание инфляции устраняет две основные аномалии в распределении реликтового излучения.
«Используя космологию квантовой петли, мы естественным образом разрешили две из этих аномалий, что позволяет избежать потенциального кризиса, — приводятся в пресс-релизе университета слова одного из авторов исследования Чон Дон Хи (Donghui Jeong), доцента кафедры астрономии и астрофизики. — Присутствие этих аномалий говорит о том, что мы живем в исключительной Вселенной».
Авторы считают, что неоднородности реликтового излучения являются результатом неизбежных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной. Во время ускоренной фазы расширения — инфляции — эти изначально крошечные флуктуации растягивались под воздействием силы тяжести, отражаясь в наблюдаемых неоднородностях.
«Стандартная инфляционная парадигма, основанная на общей теории относительности, рассматривает пространство-время как гладкий континуум, — говорит первый автор работы, профессор Абхай Аштекар (Abhay Ashtekar), директор Института гравитации и космоса штата Пенсильвания. — Ткань рубашки тоже выглядит как двухмерная поверхность, но при ближайшем рассмотрении вы можете увидеть, что она соткана из плотно упакованных одномерных нитей. Так и в ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Учитывая эти нити, петлевая квантовая космология позволяет нам выйти за пределы континуума, описываемого общей теорией относительности».
Ученые надеются, что новые спутниковые миссии, такие как LiteBIRD и Cosmic Origins Explorer, нацеленные на обнаружение следов первичных гравитационных волн на фоне реликтового излучения, подтвердят их выводы.