Hvad skete der før Big Bang?

Et hold af videnskabsmænd har foreslået en stærk ny test for inflation, teorien om, at universet udvidede sig dramatisk i størrelse på en flygtig brøkdel af et sekund lige efter Big Bang. Deres mål er at give indsigt i et mangeårigt spørgsmål:hvordan var universet før Big Bang?

Selvom kosmisk inflation er kendt for at løse nogle vigtige mysterier om universets struktur og udvikling, andre meget forskellige teorier kan også forklare disse mysterier. I nogle af disse teorier, universets tilstand forud for Big Bang – det såkaldte urunivers – var ved at trække sig sammen i stedet for at udvide sig, og Big Bang var således en del af et Big Bounce.

For at hjælpe med at bestemme mellem inflation og disse andre ideer, spørgsmålet om forfalskning – dvs. om en teori kan testes for potentielt at vise, at den er falsk - er uundgåeligt opstået. Nogle forskere, herunder Avi Loeb fra Center for Astrofysik | Harvard &Smithsonian (CfA) i Cambridge, Masse., har rejst bekymring for inflation, tyder på, at dens tilsyneladende uendelige tilpasningsevne gør det næsten umuligt at teste ordentligt.

"Falsificerbarhed bør være et kendetegn for enhver videnskabelig teori. Den nuværende situation for inflation er, at det er så fleksibel en idé, det kan ikke forfalskes eksperimentelt, " sagde Loeb. "Uanset hvilken værdi folk måler for en observerbar egenskab, der er altid nogle inflationsmodeller, der kan forklare det."

Nu, et team af videnskabsmænd ledet af CfA's Xingang Chen, sammen med Loeb, og Zhong-Zhi Xianyu fra fysikafdelingen på Harvard University, har anvendt en idé, de kalder et "urstandardur" på de ikke-inflationære teorier, og opstillet en metode, der kan bruges til at forfalske inflation eksperimentelt. Undersøgelsen vises i Fysiske anmeldelsesbreve som redaktørforslag.

I et forsøg på at finde en egenskab, der kan adskille inflation fra andre teorier, holdet begyndte med at identificere den definerende egenskab ved de forskellige teorier – udviklingen af ​​størrelsen af ​​det oprindelige univers.

"For eksempel, under inflation, universets størrelse vokser eksponentielt, " sagde Xianyu. "I nogle alternative teorier, universets størrelse trækker sig sammen. Nogle gør det meget langsomt, mens andre gør det meget hurtigt.

"De egenskaber, folk hidtil har foreslået at måle, har normalt problemer med at skelne mellem de forskellige teorier, fordi de ikke er direkte relateret til udviklingen af ​​størrelsen af ​​det oprindelige univers, " fortsatte han. "Så, vi ønskede at finde ud af, hvad de observerbare attributter er, der kan linkes direkte til den definerende egenskab."

De signaler, der genereres af det oprindelige standardur, kan tjene et sådant formål. Det ur er enhver form for tung elementarpartikel i det oprindelige univers. Sådanne partikler bør eksistere i enhver teori, og deres positioner bør oscillere med en eller anden regelmæssig frekvens, meget som tikken af ​​et urs pendul.

Uruniverset var ikke helt ensartet. Der var bittesmå uregelmæssigheder i tætheden på små skalaer, der blev kimen til den storskalastruktur, der observeres i nutidens univers. Dette er den primære kilde til information, fysikere stoler på for at lære om, hvad der skete før Big Bang. Tikkene på standarduret genererede signaler, der blev indprentet i strukturen af ​​disse uregelmæssigheder. Standard ure i forskellige teorier om det oprindelige univers forudsiger forskellige mønstre af signaler, fordi universets evolutionære historier er forskellige.

"Hvis vi forestiller os al den information, vi har lært indtil videre om, hvad der skete før Big Bang, er i en rulle af filmrammer, så fortæller standarduret os, hvordan disse billeder skal afspilles, " Chen forklarede. "Uden nogen uroplysninger, vi ved ikke om filmen skal spilles frem eller tilbage, hurtigt eller langsomt, ligesom vi ikke er sikre på, om det oprindelige univers var oppustet eller sammentrukket, og hvor hurtigt det gjorde det. Det er her problemet ligger. Standarduret satte tidsstempler på hver af disse billeder, da filmen blev optaget før Big Bang, og fortæller os, hvordan man spiller filmen."

Holdet beregnede, hvordan disse standard ursignaler skulle se ud i ikke-inflationære teorier, og foreslog, hvordan de skulle søges efter i astrofysiske observationer. "Hvis der blev fundet et mønster af signaler, der repræsenterer et kontraherende univers, det ville forfalske hele inflationsteorien, " sagde Xianyu.

Succesen med denne idé ligger i eksperimentering. "Disse signaler vil være meget subtile at opdage, " sagde Chen, "og derfor skal vi måske søge mange forskellige steder. Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling er et sådant sted, og fordelingen af ​​galakser er en anden. Vi er allerede begyndt at søge efter disse signaler, og der er allerede nogle interessante kandidater, men vi har brug for flere data."

Mange fremtidige galakseundersøgelser, såsom amerikansk førende LSST, European's Euclid og det nyligt godkendte projekt af NASA, SphereX, forventes at levere data af høj kvalitet, som kan bruges mod målet.

Fortrykket af dette papir er tilgængeligt på:arxiv.org/abs/1809.02603. Et relateret tidligere arbejde kan findes på:arxiv.org/abs/1509.03930.