Một quan điểm về sự khác biệt nhiệt độ trong nền vi sóng vũ trụ, được tạo ra khi thiên hà chưa đầy 400.000 năm tuổi, được thực hiện từ chín năm quan sát từ Máy dò dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP).
(Ảnh: © NASA)
Paul Sutter là nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio và là nhà khoa học trưởng tại trung tâm khoa học COSI. Sutter cũng là người dẫn chương trình "Ask a Spaceman", "Space Radio" và dẫn dắt AstroTours trên toàn thế giới. Sutter đã đóng góp bài viết này cho Chuyên gia lên tiếng của Space.com: Op-Ed & Insights.
Mô hình Big Bang là lời giải thích thành công nhất của chúng tôi về lịch sử vũ trụ mà chúng ta đang sống và thật dễ dàng để gói gọn khuôn khổ cốt lõi của nó trong một câu duy nhất có thể mặc áo phông: Cách đây rất lâu, vũ trụ của chúng ta nhỏ hơn rất nhiều. Từ tuyên bố đơn giản này đưa ra những dự đoán chính có thể kiểm chứng được xác minh qua nhiều thập kỷ quan sát. Tốc độ mở rộng của vũ trụ. Các nền vi sóng vũ trụ. Việc sản xuất các yếu tố nhẹ nhất. Sự khác biệt giữa các thiên hà gần và xa. Tất cả các dòng chứng cứ ngon ngọt làm cho vũ trụ học trở thành một khoa học.
Nhưng có một số vấn đề. [Vũ trụ: Vụ nổ lớn đến bây giờ trong 10 bước đơn giản]
Mô hình Big Bang "vanilla", không có bất kỳ bổ sung hay sửa đổi nào khác, không thể giải thích tất cả các quan sát.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Mắt nhìn về phía chân trời
Chúng ta có thể thấy một khối lượng lớn của không gian thô. Vũ trụ quan sát được của chúng ta có đường kính hơn 90 tỷ năm ánh sáng. Và càng xa chúng ta càng nhìn sâu vào quá khứ chúng ta ngang hàng. Bao quanh chúng ta là nền vi sóng vũ trụ, ánh sáng hóa thạch còn sót lại được giải phóng khi vũ trụ chỉ mới sinh - chỉ 270.000 năm tuổi, hơn 13,8 tỷ năm trước.
Ánh sáng đó đến với chúng ta từ những nơi xa xôi của vũ trụ, xa đến mức bây giờ không thể tiếp cận được với chúng ta. Và các phần khác nhau của ánh sáng nền đó không thể tiếp cận được với nhau. Trong thuật ngữ tuyệt vời của vật lý, các vùng của nền vi sóng vũ trụ không được kết nối một cách nhân quả. Nói cách khác, để một đoạn trong giới hạn của vũ trụ quan sát được của chúng ta giao tiếp với một đoạn khác trong 13,8 tỷ năm qua, họ sẽ phải gửi tín hiệu nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Sẽ không có vấn đề gì lớn nếu nền vi sóng vũ trụ gần như hoàn toàn mịn màng. Vũ trụ trẻ sơ sinh có cùng nhiệt độ với một phần trong một triệu. Làm thế nào mà mọi người có được sự phối hợp tốt như vậy khi những thay đổi trong một khu vực không có đủ thời gian để ảnh hưởng đến những người khác?
Thẳng và hẹp
Theo cách tốt nhất mà chúng ta có thể đo lường, hình học của vũ trụ của chúng ta dường như hoàn toàn phẳng, hoàn toàn, vô cùng nhàm chán. Trên quy mô lớn, vũ trụ, các đường thẳng song song tồn tại song song mãi mãi, các góc bên trong của hình tam giác thêm tới 180 độ, v.v. Tất cả các quy tắc của hình học Euclide mà bạn đã học ở trường trung học áp dụng.
Nhưng không có lý do cho vũ trụ của chúng ta được phẳng. Ở quy mô lớn, nó có thể có bất kỳ độ cong cũ nào mà nó muốn. Vũ trụ của chúng ta có thể có hình dạng như một quả bóng bãi biển khổng lồ, đa chiều hoặc yên ngựa. Nhưng, không, nó chọn căn hộ. Và không chỉ một chút bằng phẳng. Để chúng ta đo không có độ cong với độ chính xác vài phần trăm trong vũ trụ ngày nay, vũ trụ trẻ phải bằng phẳng một phần trong một triệu.
Tại sao? Trong tất cả các lựa chọn có thể cho độ cong, không phẳng gần như hoàn toàn có vẻ hơi đáng ngờ? Và thực sự, chúng tôi nghi ngờ rằng có một lý do cho sự bằng phẳng, và nó không chỉ là một con xúc xắc may mắn.
Chỉ một cực
Đơn cực từ là những con thú lý thuyết; gãy xương trong không gian thời gian chỉ thể hiện một trong những cực từ - hãy tưởng tượng một hạt phía bắc hoặc phía nam lang thang trong cô đơn của nó. (Trong vấn đề như chúng ta biết, một vật thể có từ trường phía bắc cũng sẽ có từ tính ở phía nam ở đầu kia.) Theo các mô hình tốt nhất của chúng ta về vũ trụ cực kỳ sớm (như trong, khi nó còn khoảng 10 ^ -35 giây, và không, đó không phải là một lỗi chính tả) quá trình kỳ lạ sẽ tràn ngập vũ trụ của chúng ta với những điều khó chịu này.
Những đơn cực này nên phổ biến đến mức chúng sẽ là một phần bình thường trong cuộc sống vũ trụ hàng ngày của chúng ta. Tuy nhiên, chúng tôi chưa thấy bằng chứng cho một. Số không. Zilch. Không có quái vật đơn cực xuất hiện để ẩn nấp trong vùng nước lợ của vũ trụ đen tối.
Vậy họ đã đi đâu? Chúng đáng lẽ phải được sản xuất dồi dào giống như vũ trụ của chúng ta đang trở nên thú vị, nhưng chúng không được tìm thấy ở đâu.
Chỉ cần làm cho nó lớn
Giải pháp tốt nhất chúng ta có cho những câu hỏi hóc búa này là một quá trình gọi là lạm phát. Ý tưởng đầu tiên được đề xuất - và đặt ra! - bởi nhà vật lý Alan Guth vào năm 1980 khi ông cho rằng quá trình kỳ lạ tương tự tràn ngập vũ trụ với các đơn cực từ có thể đã đưa vũ trụ vào thời kỳ giãn nở nhanh chóng đáng kinh ngạc.
Hãy tưởng tượng nếu tôi khinh khí cầu bạn - cơ thể, ruột, não, bộ xương, toàn bộ thỏa thuận - với kích thước của toàn bộ vũ trụ quan sát được của chúng ta. Và hãy tưởng tượng tôi chỉ mất chưa đến 10 ^ -32 giây để làm điều đó. Đó là một sự mở rộng nghiêm trọng, và chính xác là những gì chúng ta muốn nói về lạm phát. Khi vũ trụ của chúng ta còn trẻ đến khó tin, Guth đã đề xuất, nó thổi phồng đến quy mô khổng lồ như vậy trong ít hơn chớp mắt.
Đối với Guth, đó là con đường sạch nhất để giải quyết vấn đề đơn cực. Bằng cách làm cho vũ trụ trở nên vô cùng lớn, các đơn cực đơn giản là bị pha loãng. Bản vá vũ trụ có thể quan sát được của chúng ta chỉ là một góc nhỏ của toàn bộ shebang, và có quá nhiều khối lượng mà chúng ta không nên gặp phải là một đơn cực, như, bao giờ.
Kỷ nguyên lạm phát này cũng giải quyết được hai thiếu sót khác của Big Bang vanilla. Vũ trụ tiền lạm phát có nhiều thời gian để phối hợp và cân bằng nhiệt độ trước khi chuyển sang trạng thái lớn hơn nhiều, làm bùng nổ các khu vực được kết nối một lần bên ngoài tiếp xúc. Và trong một vũ trụ to lớn như vậy, chúng ta không thể không đo một hình học phẳng trong miếng vá có thể quan sát được. Ai quan tâm độ cong của toàn vũ trụ là gì - nó lớn đến mức nó sẽ xuất hiện phẳng đối với chúng ta. Trái đất cong, nhưng sân sau của tôi rất đẹp và bằng phẳng, vì nó nhỏ hơn nhiều so với bề mặt hành tinh của chúng ta. Chỉ cần áp dụng logic tương tự cho quy mô vũ trụ và bạn là vàng.
Tuy nhiên, các cơ chế lạm phát cơ bản vẫn chưa được hiểu rõ và để được coi là một lý thuyết khoa học nửa chừng, nó không thể giải thích các quan sát hiện tại mà đưa ra dự đoán cho những tương lai.
Và đó sẽ là câu chuyện cho một ngày khác.
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập "Tại sao chúng ta cần lạm phát vũ trụ? (Phần 2)" trên podcast Hỏi một Spaceman, có sẵn trên iTunes và trên web tại http://www.askaspaceman.com. Cảm ơn Massimiliano S., Lorenzo B., @ZachCoty, Pete E., Christian W., @up_raw, Vicki K., Thomas, Banda C., Steve S., Evan W., Andrew P., @MarkRiepe, @ Luft08, @kazoukis, Gordon M., Jim W., Cosmic Wakes, Floren H., Gabi P., Amanda Z., và @scaredjackel cho các câu hỏi dẫn đến tác phẩm này! Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc theo Paul @PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter. Theo dõi chúng tôi trên Twitter @Spacesotcom và trên Facebook. Bài viết gốc trên Space.com.
