Космічне Інфляційне Розширення: Горизонт, Плоскість та Проблема Монополів

Експоненційне розширення до приблизно 10⁻³² секунд

Запропонована Аланом Гутом у 1980 році та подальшою розроблена Андрієм Лінде та Олексієм Старобинським, космологічна інфляція – це ідея про те, що до приблизно 10⁻³² секунд після Великого вибуття простір зазнав експоненційного розширення упритул з фактором щонайменше 10²⁶. Вважається, що вона зумовлена гіпотетичним скалярним полем – інфлатоном, потенціальна енергія якого домінує в тензорі напружень та енергії і діє як відштовхувальна космологічна константа. Коли поле «перетікає» до мінімуму, інфляція завершується процесом реотування, і знову починаються звичайні фізичні закони. Інфлатон не був безпосередньо виявлений, тому механізм, хоча й широко прийнятий, поки що не підтверджений.

Проблема горизонту

Космічне мікрохвильове фонового випромінювання є однорідним з точністю до 1 частини на 100 000 в усіх напрямках, які ми спостерігаємо. Однак за стандартного (неінфляційного) розширення області неба, що відрізняються більше ніж на 2 градуси, ніколи не перебували в причинному зв’язку – просто не було достатньо часу для того, щоб світло або будь-який сигнал подолали відстань між ними та зрівняли їх температуру. Інфляція вирішує цю проблему, розширюючи одну маленьку, причинно пов'язану ділянку дуже раннього Всесвіту до розмірів всього спостережуваного Всесвіту, таким чином забезпечуючи її майже ідеальну однорідність ще до інфляції, яка розтягнула їх на великі відстані.

Проблема плоскої просторової геометрії та проблеми з магнітними монополями

Всесвіт має надзвичайно точну плоску просторову геометрію, але плоскота нестабільна при звичайному розширенні — будь-який невеликий викривлення на ранніх етапах повинно збільшуватися з часом, а не зменшуватися. Експоненційне розширення, яке відбувається під час інфляції, зводить просторову кривизну до нуля, незалежно від початкового значення, пояснюючи плоскоту без необхідності точного налаштування початкових умов. Окремо, Великі Об'єднані Теорії передбачають, що ранній Всесвіт повинен був породити величезну кількість магнітних монополей, але жодного з них не було виявлено; інфляція розводить будь-які такі реліквії на щільність, яка значно нижче межі виявлення, розподіляючи їх по надзвичайно розширеному просторі.

Квантові насіння кожної галактики

Інфляція не лише згладжує Всесвіт – вона також сіє його структуру. Квантові флуктуації в інфлатонному полі були розширені до макроскопічних, навіть космологічних масштабів під час експоненційного розширення, стаючи мінімальними щільними флуктуаціями, які пізніше відкарбовувалися у реліктовому випромінюванні та зрештою, під дією гравітації, перетворилися на кожну галактику, кластер і порожнечу в спостережуваному Всесвіті.

Доказ: Б-мода поляризації

Найбільш прямі докази інфляції надходять від примітивних гравітаційних хвиль, що були згенеровані під час інфлаційної епохи, і які залишили конкретний малюнок Б-моди поляризації в космічному мікрохвильовому фоновому випромінюванні (КМФВ). Це ключовий сигнал, за яким активно шукають експерименти з КМФВ, зокрема BICEP/Keck, Simons Observatory та запланований CMB-S4 – але на сьогодні жодного підтвердженого виявлення не було.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.