Czy pierwotne fale grawitacyjne niosą informację o Wielkim Wybuchu?

Pytanie

Pyta Rafał

Jeżeli hipoteza inflacji jest fałszywa (a podobno coraz więcej naukowców odchodzi od tej hipotezy i dane eksperymentalne jej nie potwierdzają) to czy pierwotne fale grawitacyjne niosą informację o tym, co działo się w trakcie Wielkiego Wybuchu (dokładnie w „chwili zero”)?

Odpowiedź

Odpowiada Adam Markiewicz

Zacznijmy od omówienia dwóch głównych problemów, które doprowadziły do powstania hipotezy inflacji. Pierwszym z nich jest problem horyzontu. Z obserwacji mikrofalowego promieniowania tła wiemy, że wczesny wszechświat był niezwykle jednorodny. Mierzone fluktuacje temperatury są rzędu zaledwie 0,001%. Z codziennego doświadczenia wiemy, że pozostające w kontakcie obiekty wyrównują swoje temperatury. W przypadku naszego Wszechświata równość temperatur dotyczy jednak obszarów, które nigdy nie były ze sobą w kontakcie!

Drugim problemem jest problem płaskości. Pomiary wskazują, że nasz Wszechświat jest płaski, czyli obowiązująca w nim geometria to znana ze szkoły geometria euklidesowa. Z ogólnej teorii względności wiemy, że zakrzywienie wszechświata rośnie w czasie. Jeśli więc obserwowalny Wszechświat jest niemalże płaski teraz, to na początku musiał być płaski jeszcze bardziej.

Inflacja w elegancki sposób rozwiązuje obydwa powyższe problemy (a także kilka innych, mniejszych). Ponadto, efekt gwałtownej ekspansji wszechświata łatwo uzyskać w kwantowej teorii pola, która stanowi główne narzędzie fizyki cząstek. Wystarczy zapostulować istnienie nowego rodzaju cząstki, zwanej inflatonem. Nic dziwnego, że hipoteza inflacji szybko zjednała sobie sympatię fizyków.

Widać więc, że inflacja od początku wyrosła z potrzeby wytłumaczenia danych doświadczalnych, i w tym sensie pozostaje z nimi zgodna. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że przewidywania wynikające z inflacji nie mówią, jakie nowe efekty powinniśmy zaobserwować, ale raczej czego zobaczyć nie powinniśmy. Sprawia to, że w praktyce nie istnieje eksperyment potwierdzający inflację, a jedynie takie, które ew. mogą ją wykluczyć. Póki co kilka modeli przewidujących inflację udało się odrzucić, ale na ich miejsce powstają kolejne, które wciąż pozostają w zgodzie z obserwacjami. Można więc powiedzieć, że hipoteza inflacji wciąż wychodzi z tych starć obronną ręką. Wielu fizyków z niechęcią odnosi się też to faktu, że modeli inflacji jest tak wiele i często pozostają one obserwacyjnie nierozróżnialne. Sytuację zmieniłoby powstanie konkurencyjnej do inflacji teorii, która byłaby w stanie wytłumaczyć te same problemy, ale istniejące alternatywy oferują tylko częściowe rozwiązania.

Odnośnie pierwotnych fal grawitacyjnych: gdyby udało się je zmierzyć, pozwoliłoby nam to podejrzeć Wszechświat zanim powstało mikrofalowe promieniowanie tła (co stanowi najwcześniejszy moment dostępny dla astronomii opartej na falach elektromagnetycznych). Obecnie nie sposób powiedzieć, jak daleko w przeszłość moglibyśmy sięgnąć z ich pomocą. Może do zakończenia inflacji (jeśli miała ona miejsce), a może do epoki kwantowej grawitacji? Trzeba jednak zdawać sobie sprawę, że pierwotne fale grawitacyjne, których możemy oczekiwać, są dużo słabsze niż te, docierające do nas łączących się czarnych dziur, tak że prawdopodobnie upłynie wiele czasu nim uda nam się je zaobserwować.