Þegar rýmið stækkaði hraðar en birtan

Myndskreyting listamanns um alheimsverðbólgu meðscienceblogs.com

Frá sporbraut sinni 930.000 mílur (1,5 milljón km) yfir jörðu eyddi Planck gervihnötturinn meira en fjögur ár í að greina geim örbylgjuofnsins - steingerving frá Miklahvelli sem fyllir alla hluta himins og gefur innsýn í hvernig alheimurinn leit út í frumbernsku. Athuganir Plancks á þessari minjargeislun varpa ljósi á allt frá þróun alheimsins til eðli dökks efnis. Í byrjun febrúar 2015 gaf Planck út ný kort af geimbylgjubakgrunni sem styður viðkenninguna um kosmíska verðbólgu, hugmyndin um að, á augnablikunum eftir Miklahvell, stækkaði rýmið hraðar en ljóshraði, stækkaði úr smærri en róteini í gífurleika sem andmælir skilningi. Kelen Tuttle frá Kavli stofnuninni ræddi nýlega við lækni George Efstathiou, forstöðumann Kavli Institute for Cosmology við Cambridge háskóla og einn af leiðtogum verkefnisins í Planck, til að skilja nýjustu niðurstöður Planck og áhrif þeirra á kenninguna um verðbólgu. Þú finnur breytt afrit af því viðtali hér að neðan.

Að auki mun Kavli bjóða upp álifandi vefútsending 18. febrúar 2015með Efstathiou og tveimur öðrum áberandi vísindamönnum um efnafræðilega verðbólgu. Elskarðu heimsfræði? Sendu spurningu fyrir komandi vefútsendingu á info@kavlifoundation.org eða á Twitter notaðu myllumerkið#KavliLive.

George Efstathiou

KAVLI STOFNUN:Árið 2013 og nú á þessu ári lagði Planck fram mjög sterk tilraunagögn sem styðja kenninguna um að alheimurinn hafi gengið í gegnum skelfilega hraða þenslu á sínum fyrstu augnablikum. Getur þú útskýrt nýjustu niðurstöðurnar og hvers vegna þær eru mikilvægar?

GEORGE EFSTATHIOU:Verðbólga - kenningin um að upphaflegur alheimur stækkaði ótrúlega hratt á fyrstu augnablikum sínum - gerir margar almennar spár. Til dæmis ætti rúmfræði alheimsins að vera mjög nálægt sléttu og þetta ætti að endurspeglast í sveiflum sem við sjáum í geimbylgjuljósinu. Með fyrstu Planck gögnunum, sem við gáfum út árið 2013, staðfestum við nokkra þætti þessa líkans með nokkuð mikilli nákvæmni með því að skoða hitastig kosmísks örbylgjuofnabakgrunnar yfir himninum. Með útgáfunni 2015 bættum við nákvæmni þessara hitamælinga og bættum einnig við nákvæmum mælingum á snúningsmynstri í kosmískum örbylgjuofni sem kallast skautun. Þessar skautunarmælingar eru mjög mikilvægar til að segja okkur hvernig rúmið var í upphafi alheimsins.

Sjáðu til, það eru nokkrir möguleikar. Til dæmis, í sumum líkönum sem eru hvattir til af meiri víddakenningum eins og strengjafræði, er hægt að framleiða „kosmíska strengi“ í upphafs alheiminum og þær mynda annars konar sveiflumynstur. Við sjáum engar vísbendingar um kosmíska strengi eða annars konar geimgalla. Það sem við fundum er að allt er í samræmi - með mjög mikilli nákvæmni - með einföldum verðbólgumódelum. Þannig að til dæmis getum við nú sagt að alheimurinn er staðbundinn flatur að nákvæmni um það bil hálfu prósenti. Það er veruleg framför miðað við það sem við vissum fyrir Planck.

Njóttu ForVM? Skráðu þig á ókeypis daglega fréttabréfið okkar í dag!

Planck geimsjónauki Evrópsku geimvísindastofnunarinnar var skotið á loft árið 2009. Í fjögurra ára verkefni sínu sá hann breytileika í geimnum örbylgjuofni á öllum himninum. Fyrsta himinhvolfskortið var gefið út í mars 2013 og annað, ítarlegri kortið var gefið út í febrúar 2015. Árangur verkefnisins felur meðal annars í sér að alheimurinn er aðeins eldri en talið var; kortleggja fíngerðar sveiflur upphafs alheimsins í hitastigi og skautun, sem að lokum leiddu til uppbyggingarinnar sem við sjáum í dag; og staðfestir að 26 prósent alheimsins samanstanda af dökku efni. Mynd í gegnum ESA

TKF:Þú hefur kallað kenninguna um kosmíska verðbólgu teiknimynd af kenningu. Hvað meintirðu með því?

EFSTATHIOU:Við skiljum ekki enn þá grundvallar eðlisfræði sem rak verðbólgu og við skiljum vissulega ekki smáatriðin um hvernig hún virkaði. Einfaldasta verðbólgulíkanið krefst þess að snemma alheimurinn innihélt það sem kallað er skalasvið. Þetta svið gegnsýrir allt pláss og ber ábyrgð á því að pláss stækkar hraðar en ljóshraði. Og eins og með öll skammtasvið inniheldur það skammtasveiflur. Það eru þessar litlu skammtasveiflur sem, þegar þær voru teygðar að stærð við verðbólgu, mynduðu þá uppbyggingu sem við sjáum um alheiminn í dag - allar vetrarbrautirnar og stjörnurnar og pláneturnar. Þetta er einfalt verðbólgulíkan.
Nú, hvað er þessi reitur nákvæmlega? Við vitum það ekki. Það eru margar kenningar þarna úti, en í raun eru þær allar bara ágiskanir. Þess vegna kallaði ég hana teiknimynd af kenningu - vegna þess að við skiljum ekki hvernig verðbólga virkar í neinum grundvallaratriðum. Það sem við þurfum eru betri tilraunagögn sem segja okkur hvernig frumheimurinn leit út og vonandi mun þetta benda okkur á grundvallar kenningu um verðbólgu.

TKF:Þýðir það að næstu skref séu tilraunakennd öfugt við fræðileg?

EFSTATHIOU:Það er mjög áhugaverð spurning. Í mínum huga mun raunveruleg framþróun krefjast tilrauna, því mjög snemma alheimurinn felur í sér orkuskala svo miklu hærra en allt sem við höfum getað prófað í tilraunastofum hér á jörðinni. Þegar þú tekur svona stórt stökk veistu í raun ekki hvernig hlutirnir líta út. Það skilur eftir marga og marga möguleika. Til dæmis eru aukavíddirnar sem strengjafræðin spáir fyrir okkur falnar - svo við upplifum þær ekki. Þeir verða að vera mjög litlir og „þjappaðir“ á einhvern hátt - en hvernig, við vitum það ekki. Svo frá sjónarhóli kenningarinnar eru bara of margir möguleikar núna. Einnig, í heimsfræði, erum við að tala um mjög kraftmiklar aðstæður. Allt breytist mjög hratt og það er líka erfitt að greina fræðilega. Það er alltaf möguleiki á því að stórkostleg ný fræðileg innsýn þrengi valkostina.

En ég held að við þurfum að gera tilraunir - ef við getum - sem þrengja valkostina með tilraunum. Ef við myndum greina þyngdarbylgjur, sem eru gárur í sveigju geimtíma, myndi sú mæling þrengja valkostina mikið. Það myndi segja okkur orkumælikvarða verðbólgunnar. Það sem meira er, öll greinanleg þyngdaraflbylgjur mynda reynslutengingu við skammtafræðilega þyngdarafl. Skammtafull þyngdarafl, sem myndi samræma þyngdaraflið við meginreglur skammtafræðinnar, er mjög mikilvægt tilraunamarkmið, markmið sem hægt er að ná með tilraunum með mikilli nákvæmni. Ég held að það væri líklegasta tilraunaþróunin sem gæti í raun haft samband við eðlisfræði á mjög háum orkumælikvarða frumheimsins.

Þetta kort, sem náðist með Planck geimsjónauka ESA, sýnir Vetrarbrautina. Gas kemur fyrir í gulu, geislun í bláu og grænu og nokkrar gerðir af ryki eru sýndar með rauðu. Mynd í gegnum ESA/NASA/JPL-Caltech

TKF:Ein mest opinbera nýja opinberunin frá Planck er vísbending um að fyrstu stjörnurnar í alheiminum byrjuðu að skína um 550 milljón árum eftir Miklahvell - sem þýðir að þær eru yngri um 100 milljónir ára en áður var talið. Hvernig hefðum við getað fengið þetta svona vitlaust?

EFSTATHIOU:Þú veist, ég er ekki svo hrifinn af því að halda því fram sem frábærum vísindalegum árangri Plancks - en það er áhugavert. Til að útskýra hvers vegna þarf ég að gefa þér smá bakgrunn. Við lok verðbólgunnar vitum við að alheimurinn varð mjög, mjög heitur. Síðan, þegar alheimurinn stækkaði, kólnaði hann. Og þegar alheimurinn var 400.000 ára gamall var hitastigið nógu lágt til að rafeindir og róteindir gætu sameinast til að mynda hlutlaust vetni. Þannig að á þeim tíma var alheimurinn hlutlaus og frekar einsleitur.

Við getum séð kvasara - mjög björt þétt svæði á miðjum fjarlægra vetrarbrauta - sem voru til þegar alheimurinn var um 840 milljón ára gamall. Það er í raun mjög ungt miðað við 13,8 milljarða ára í dag. Á þeim tíma, ef alheimurinn hefði verið fylltur með hlutlausu vetni, hefði það vetni tekið í sig kvasarljós á stuttum bylgjulengdum og við gætum ekki séð það í mælingum okkar í dag. Þannig að vegna þess að við getum séð þetta ljós frá þessum kvasarum, vitum við að þegar alheimurinn var 840 milljón ára gamall var hann ekki lengur hlutlaus. Einhvern tíma á milli þess að alheimurinn er 400.000 ára gamall og 840 milljón ára gamall hlýtur að hafa verið sprautað orku í gasið til að breyta þessu. Svo er spurningin, hvaðan kom þessi orka?

Jæja, það hlýtur að vera að stjörnur hafi myndast og byrjað að losa orku. Nú þegar við skoðum dýpstu myndirnar frá Hubble geimsjónaukanum, getum við séð nokkrar af þessum mjög snemma stjörnum. En frá stjörnunum sem við sjáum, væri ekki hægt að losa nægilega orku til að jóna vetnið þegar alheimurinn var 420 milljón ára gamall - eins og fyrri mælingar á kosmískum örbylgjuofnabakgrunni voru gerðar með Wilkinson örbylgjuofnofnæmisrannsókninni - eða WMAP - gervitungl. Nú, með Planck mælingunum, segjum við að það hafi gerst seinna, 560 milljón ára. Sá mismunur sem nemur um 140 milljónum ára hljómar kannski ekki mikið en hann færir nú allar athuganir okkar í takt.

Þetta er mjög, mjög erfið mæling til að gera - þetta er mjög lítið merki sem er falið á bak við mikla mengun frá okkar eigin Vetrarbraut. Þú verður að grafa út raunverulegt merki frá öllum þessum hávaða. Með Planck gátum við í fyrsta sinn gert þessa mælingu með því að nota Planck gögnin á tvo mismunandi vegu. Hvers vegna ég hef ekki svo mikinn áhuga á því sem raunverulegur hápunktur frá Planck er að það er nákvæmlega ekkert athugavert við fyrri mælingar. WMAP athuganirnar eru fullkomlega í lagi, en ef þú tekur kortin þeirra og leiðréttir fyrir mengun af Vetrarbrautinni, þá færðu sömu svör og Planck niðurstöðurnar. Svo allt er stöðugt að lokum.

Bakgrunnsmyndataka Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) tilraunarinnar, sýnd hér í forgrunni, rannsakar kosmískan örbylgjuofnabakgrunn frá suðurpólnum, þar sem kalt, þurrt loft leyfir skýrar athuganir á himninum. Í mars 2014 tilkynnti BICEP2 teymið að þeir hefðu séð vísbendingar um þyngdaraflsbylgjur og báðu það sem virtist vera „reykingabyssu“ vísbendingar um verðbólgu. Þrátt fyrir að Planck-BICEP2 sameiginleg greining hafi síðan sýnt að ryk í Vetrarbrautinni hefði líkt eftir merkinu sem búist er við frá þyngdarbylgjum, geta framtíðar tilraunir enn fundið þessar eftirsóttu öldur. Verkefnið var fjármagnað með 2,3 milljónum dala frá W. M. Keck Foundation, auk fjármagns frá National Science Foundation, Gordon og Betty Moore Foundation, James og Nelly Kilroy Foundation og Barzan Foundation.
Mynd um Steffen Richter, Harvard háskóla

TKF:Niðurstöður Planck hjálpa okkur einnig að skilja dökkt efni, dularfulla efnið sem er 20 prósent alheimsins en á enn eftir að skilja vel. Hvað nákvæmlega höfum við lært um dökkt efni frá Planck?

EFSTATHIOU:Hvað vitum við? Í raun erum við ennþá langt frá því að skilja myrk efni. Frambjóðandi er tegund agna sem spáð er meðyfirsamhverfi. Sú kenning spáir fyrir makaagnagrein fyrir hverja ögn sem við þekkjum nú þegar. En ef sú kenning er sönn ættu yfirsamhverfar agnir að birtast í árekstrum á Large Hadron Collider. Hingað til hafa þeir það ekki. Svo dökkt efni er enn óþekkt.

Planck hefur ekki fundið merki um dökkt efni. Yfirsamhverfi spáir því að agnir dökkra efna ættu öðru hvoru að hafa samskipti við aðrar agnir af dökku efni og framleiða glampa af orku - ferli sem kallast tortíming. En við sjáum það ekki. Það er í raun ekki allt sem kemur á óvart. Það er auðvelt að fela. Svo það er eitthvað sem framtíðar kosmískar örbylgjuofnabakgrunnstilraunir gætu séð. En við höfum ekki séð nein merki um að eyða dökku efni frá Planck.

Við höfum líka skoðað mjög vandlega hlutleysi - örsmáar, alls staðar nálægar agnir sem við þekkjum eru í þremur gerðum. Eftir því sem næst verður komist eru engar aðrar tegundir af daufkyrningum sem gætu hjálpað til við að gera grein fyrir sumu dökku efninu. Fólk er líka enn að reyna að ákvarða massa þessara þriggja nifteinda. Við vitum af öðrum tilraunum minnst massa sem þessar þrjár agnir gætu haft. Planck hefur nú sett mörk á mesta massa sem þeir gætu mögulega haft. Við erum að þrengja valkostina og munum vonandi fljótlega læra nákvæmlega massa þeirra. Neutrinos eru einhver dularfullustu agnir alheimsins, svo þetta væri mikilvægt skref í átt að skilningi þeirra.
Sumir fræðimenn hafa einnig lagt til að dökkt efni og dökk orka gætu haft samskipti á einhvern hátt. Eftir því sem við getum sagt er dökk orka alveg stöðug - svo það eru engar vísbendingar um að hún hafi samskipti við dökkt efni.

TKF:Við værum hrædd ef við tölum ekki aðeins meira um þyngdaraflbylgjur. Í mars síðastliðnum tilkynnti annað tilraunateymi sem hét BICEP2 að þeir hefðu séð vísbendingar um þyngdaraflsbylgjur í athugunum sínum á mjög snemma alheiminum. Síðan, fyrir örfáum vikum, leiddi sameiginleg greining á þeim gögnum sem unnin voru bæði af Planck og BICEP2 í ljós að ógreint gas og ryk hafði mengað gögnin og að þyngdarbylgjur eru ófundnar. Hvað þýðir þetta fyrir framtíðarvonir um að uppgötva þyngdaraflbylgjur?

EFSTATHIOU:Þegar BICEP2 teymið tilkynnti niðurstöðu sína varð ég virkilega hneykslaður. Merkið sem þeir fundu var virkilega stórt. Við höfðum þegar gert greiningu byggð á gögnum frá Planck 2013 og höfðum sett takmörk fyrir því hversu stórt merki gæti verið. Og mælingar BICEP2 voru um það bil tvöfalt stærri en það. Þannig að ef BICEP2 hefði raunverulega greint þyngdaraflbylgjur þyrfti að vera virkilega skrýtin og óvænt eðlisfræði að verki til að við fengjum svo mismunandi niðurstöður.

BICEP2 hópurinn veit hvað hann er að gera - þessir krakkar eru eins góðir og allir hópar í heiminum. Og þeir hafa unnið að ýmsum útgáfum af þessari tilraun í 7 eða 8 ár. Svo frá tilrauna hliðinni eru gögnin falleg. Þeir greindu greinilega eitthvað.

Að eitthvað gæti hafa verið þyngdarbylgjur, eða það gæti hafa verið milligöngu ryk sem ruglaði gögn þeirra. BICEP2 tilraunin lítur á mjög lítið sjónsvið og merki Plancks um hávaða er ekki mjög stórt. Svo við komumst að samstarfi. Í grundvallaratriðum bættum við merki um hávaða á ryki með því að samræma kort þeirra við okkar. Það sýndi að enn sem komið er höfum við engar tölfræðilega marktækar vísbendingar um þyngdarbylgjur. Það leysir átökin við upphaflegu niðurstöður Planck. Og í heildarmyndinni er það gott. Það þarf enga undarlega eðlisfræði til að sætta tilraunirnar tvær.
Svo núna erum við í aðstæðum þar sem við höfum takmörk fyrir stærð þyngdaraflsbylgju merkis og sú tala er í samræmi við niðurstöður Planck. Það útilokar ekki þyngdaraflsbylgjur á nokkurn hátt. Ef þú skoðar sameiginlega greininguna sérðu að það er nóg pláss fyrir þyngdaraflbylgjur að leynast þar, rétt fyrir neðan það stig sem við höfum sett með því að sameina BICEP2 og Planck gögnin. Ef þetta er satt ætti ekki að taka langan tíma að grafa það út. Þannig að það gæti verið mjög mikilvæg þróun að koma.