Theo mô hình vũ trụ của Big Bang, Vũ trụ của chúng ta bắt đầu từ 13,8 tỷ năm trước khi tất cả vật chất và năng lượng trong vũ trụ bắt đầu mở rộng. Thời kỳ lạm phát vũ trụ của Hồi giáo này được cho là những gì chiếm cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ và tại sao không gian và Nền vi sóng vũ trụ (CMB) dường như thống nhất theo mọi hướng.
Tuy nhiên, cho đến nay, không có bằng chứng nào được phát hiện có thể chứng minh chắc chắn kịch bản lạm phát vũ trụ hoặc loại trừ các lý thuyết thay thế. Nhưng nhờ một nghiên cứu mới của một nhóm các nhà thiên văn học từ Đại học Harvard và Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian (CfA), các nhà khoa học có thể có một phương pháp mới để thử nghiệm một trong những phần quan trọng của mô hình vũ trụ Big Bang.
Bài viết của họ, có tiêu đề Dấu vân tay độc đáo của Thay thế cho Lạm phát trong Quang phổ Sức mạnh Nguyên thủy, gần đây đã xuất hiện trực tuyến và đang được xem xét để xuất bản trong Thư đánh giá vật lý. Nghiên cứu được thực hiện bởi Xingang Chen và Abraham Loeb - một giảng viên cao cấp tại Đại học Harvard và Chủ tịch thiên văn học Frank D. Baird tại Đại học Harvard, tương ứng - và Zhong-Zhi Xianyu, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Vật lý của Đại học Harvard.
Tóm lại, trong vũ trụ học vật lý, lý thuyết về lạm phát vũ trụ nói rằng ở mức 10-36 Vài giây sau Vụ nổ lớn, điểm kỳ dị nơi tập trung tất cả vật chất và năng lượng bắt đầu mở rộng. Epoch Lốc xoáy này được cho là đã kéo dài đến 10-33 đến 10-32 vài giây sau Vụ nổ lớn; Sau đó, Vũ trụ bắt đầu mở rộng chậm hơn. Theo lý thuyết này, sự giãn nở ban đầu của Vũ trụ nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Giả thuyết cho rằng một kỷ nguyên như vậy tồn tại là hữu ích cho các nhà vũ trụ học vì nó giúp giải thích tại sao Vũ trụ có các điều kiện gần như giống nhau ở các khu vực rất xa nhau. Về cơ bản, nếu vũ trụ bắt nguồn từ một khối không gian nhỏ được thổi phồng trở nên lớn hơn chúng ta có thể quan sát được, thì nó sẽ giải thích tại sao cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ gần như đồng nhất và đồng nhất.
Tuy nhiên, đây không phải là lời giải thích duy nhất cho việc Vũ trụ hình thành như thế nào và khả năng làm sai lệch bất kỳ trong số chúng đã bị thiếu trong lịch sử. Như giáo sư Abraham Loeb đã nói với Tạp chí Vũ trụ qua email:
Mặc dù nhiều đặc tính quan sát được của các cấu trúc trong vũ trụ của chúng ta phù hợp với kịch bản lạm phát, có rất nhiều mô hình lạm phát đến mức khó có thể làm sai lệch nó. Lạm phát cũng dẫn đến khái niệm đa vũ trụ trong đó bất cứ điều gì có thể xảy ra sẽ xảy ra vô số lần và lý thuyết như vậy là không thể làm sai lệch thông qua các thí nghiệm, là thương hiệu của vật lý truyền thống. Đến bây giờ, có những kịch bản cạnh tranh không liên quan đến lạm phát, trong đó vũ trụ hợp đồng đầu tiên và sau đó bị trả lại thay vì bắt đầu tại một Vụ nổ lớn. Những kịch bản này có thể phù hợp với các quan sát hiện tại của lạm phát.
Vì lợi ích của nghiên cứu, Loeb và các đồng nghiệp đã phát triển một cách độc lập mô hình để phân biệt lạm phát với các kịch bản thay thế. Về cơ bản, họ đề xuất rằng các trường khổng lồ trong vũ trụ nguyên thủy sẽ trải qua các dao động lượng tử và nhiễu loạn mật độ sẽ trực tiếp ghi lại quy mô của Vũ trụ sơ khai như một chức năng của thời gian - tức là chúng sẽ hoạt động như một loại đồng hồ tiêu chuẩn của Vũ trụ.
Bằng cách đo các tín hiệu mà họ dự đoán sẽ đến từ các trường này, họ đưa ra giả thuyết rằng các nhà vũ trụ học sẽ có thể biết liệu có bất kỳ sự thay đổi nào về mật độ được gieo mầm trong giai đoạn hợp đồng hay giai đoạn mở rộng của Vũ trụ sơ khai hay không. Điều này sẽ cho phép họ loại trừ các lựa chọn thay thế cho lạm phát vũ trụ một cách hiệu quả (như kịch bản Big Bounce). Như Loeb đã giải thích:
Trong hầu hết các kịch bản, việc có một lĩnh vực đồ sộ trong vũ trụ sơ khai là điều tự nhiên. Các nhiễu loạn trong trường lớn trên quy mô không gian cụ thể dao động theo thời gian giống như một quả bóng đi lên và xuống trong một giếng tiềm năng, nơi khối lượng quy định tần số của các dao động. Nhưng sự phát triển của nhiễu loạn cũng phụ thuộc vào quy mô không gian được xem xét cũng như yếu tố quy mô nền (tăng theo cấp số nhân trong các mô hình lạm phát chung nhưng giảm trong các mô hình hợp đồng).
Những nhiễu loạn này, theo Loeb, sẽ là nguồn gốc của bất kỳ biến thể mật độ nào được quan sát bởi các nhà thiên văn học trong Tạp chí Vũ trụ. Làm thế nào những biến thể này được định hình có thể được xác định bằng cách quan sát vũ trụ nền - cụ thể, cho dù nó đang mở rộng hay hợp đồng, mà các nhà thiên văn học có thể phân biệt giữa.
Theo nghĩa bóng của tôi, yếu tố quy mô của vũ trụ đang ảnh hưởng đến tốc độ kéo một cuộn băng khi đồng hồ để lại dấu tích trên đó, ông Lo Lo nói thêm. Tín hiệu mới mà chúng tôi dự đoán đã in dấu về mức độ không đồng nhất trong vũ trụ thay đổi theo quy mô không gian.
Nói tóm lại, Loeb và các đồng nghiệp đã xác định được một tín hiệu tiềm năng có thể đo được bằng các công cụ hiện tại. Chúng bao gồm những người đã nghiên cứu Bối cảnh vi sóng vũ trụ (CMB) - chẳng hạn như ESA Planck đài quan sát không gian - và những người đã thực hiện khảo sát thiên hà - Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan, Kính thiên văn khảo sát VLT, kính viễn vọng Dragonfly, v.v.
Trong các nghiên cứu trước đây, người ta đã đề xuất rằng các biến thể mật độ trong Vũ trụ nguyên thủy có thể được phát hiện bằng cách tìm kiếm bằng chứng về tính không Gaussianity, đó là sự điều chỉnh cho ước tính hàm Gaussian để đo đại lượng vật lý - trong trường hợp này là CMB. Nhưng như Loeb đã nói, những điều này thậm chí chưa được phát hiện:
Tín hiệu dao động mới nằm trong phổ công suất của nhiễu loạn mật độ nguyên thủy (được đo thường xuyên từ nền vi sóng vũ trụ [CMB] hoặc khảo sát thiên hà), trong khi các đề xuất trước đây trong tài liệu liên quan đến các hiệu ứng liên quan đến phi Gaussianity, nhiều hơn nữa thách thức để đo lường (và chưa được phát hiện). Các kết quả được trình bày trong bài báo của chúng tôi rất kịp thời vì các bộ dữ liệu mở rộng đang được thu thập bằng các quan sát mới về các bất đẳng hướng và khảo sát thiên hà của CMB.
Hiểu làm thế nào vũ trụ của chúng ta bắt đầu có lẽ là câu hỏi cơ bản nhất trong khoa học và vũ trụ học. Nếu bằng cách áp dụng phương pháp này, những giải thích khác về cách thức Vũ trụ bắt đầu có thể được loại trừ, nó sẽ đưa chúng ta đến một bước gần hơn để xác định nguồn gốc của thời gian, không gian và sự sống. Những câu hỏi mà chúng ta đến từ đâu? và làm thế nào mà tất cả bắt đầu? cuối cùng có thể có một câu trả lời dứt khoát!
