Een team van wetenschappers heeft een krachtige nieuwe test voor inflatie voorgesteld, de theorie dat het heelal direct na de oerknal in een vluchtige fractie van een seconde dramatisch in omvang is uitgebreid. Hun doel is om inzicht te geven in een al lang bestaande vraag:hoe zag het universum eruit vóór de oerknal?

Hoewel kosmische inflatie bekend staat om het oplossen van enkele belangrijke mysteries over de structuur en evolutie van het universum, andere zeer verschillende theorieën kunnen deze mysteries ook verklaren. In sommige van deze theorieën de toestand van het universum voorafgaand aan de oerknal - het zogenaamde oeruniversum - krimpde in plaats van uit te breiden, en de oerknal was dus een onderdeel van een oerknal.

Om te helpen beslissen tussen inflatie en deze andere ideeën, de kwestie van falsifieerbaarheid - dat wil zeggen, of een theorie kan worden getest om mogelijk aan te tonen dat deze onjuist is - is onvermijdelijk ontstaan. Sommige onderzoekers, waaronder Avi Loeb van het Centrum voor Astrofysica | Harvard &Smithsonian (CfA) in Cambridge, Massa., bezorgdheid geuit over inflatie, wat suggereert dat zijn schijnbaar eindeloze aanpassingsvermogen het vrijwel onmogelijk maakt om goed te testen.

"Falsifieerbaarheid zou een kenmerk moeten zijn van elke wetenschappelijke theorie. De huidige situatie voor inflatie is dat het zo'n flexibel idee is, het kan niet experimenteel worden vervalst, " zei Loeb. "Het maakt niet uit welke waarde mensen meten voor een waarneembaar kenmerk, er zijn altijd enkele inflatiemodellen die dit kunnen verklaren."

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers onder leiding van CfA's Xingang Chen, samen met Loeb, en Zhong-Zhi Xianyu van de afdeling Natuurkunde van de Harvard University, een idee hebben toegepast dat ze een "primordiale standaardklok" noemen op de niet-inflatoire theorieën, en een methode uiteengezet die kan worden gebruikt om de inflatie experimenteel te vervalsen. De studie verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven als suggestie van de redactie.

In een poging om een ​​kenmerk te vinden dat inflatie kan onderscheiden van andere theorieën, het team begon met het identificeren van de bepalende eigenschap van de verschillende theorieën - de evolutie van de grootte van het oorspronkelijke universum.

"Bijvoorbeeld, tijdens inflatie, de omvang van het heelal groeit exponentieel, " zei Xianyu. "In sommige alternatieve theorieën, de grootte van het universum krimpt. Sommigen doen het heel langzaam, terwijl anderen het heel snel doen.

"De attributen die mensen tot nu toe hebben voorgesteld om te meten, hebben meestal moeite om onderscheid te maken tussen de verschillende theorieën omdat ze niet direct gerelateerd zijn aan de evolutie van de grootte van het oorspronkelijke universum, "vervolgde hij. "Dus, we wilden ontdekken wat de waarneembare attributen zijn die direct kunnen worden gekoppeld aan die bepalende eigenschap."

De signalen die door de oer-standaardklok worden gegenereerd, kunnen een dergelijk doel dienen. Die klok is elk type zwaar elementair deeltje in het oeruniversum. Dergelijke deeltjes zouden in elke theorie moeten bestaan ​​en hun posities zouden met een regelmatige frequentie moeten oscilleren, net als het tikken van de slinger van een klok.

Het oeruniversum was niet helemaal uniform. Er waren kleine onregelmatigheden in dichtheid op minuscule schalen die de kiem werden van de grootschalige structuur die in het huidige universum wordt waargenomen. Dit is de belangrijkste informatiebron waarop natuurkundigen vertrouwen om te leren wat er vóór de oerknal gebeurde. De tikken van de standaardklok genereerden signalen die in de structuur van die onregelmatigheden werden ingeprent. Standaardklokken in verschillende theorieën van het oeruniversum voorspellen verschillende patronen van signalen, omdat de evolutionaire geschiedenissen van het universum anders zijn.

"Als we ons voorstellen dat alle informatie die we tot nu toe hebben geleerd over wat er gebeurde vóór de oerknal in een filmrolletje zit, dan vertelt de standaardklok ons ​​hoe deze frames moeten worden afgespeeld, " legde Chen uit. "Zonder enige klokinformatie, we weten niet of de film vooruit of achteruit moet worden afgespeeld, snel of langzaam, net zoals we niet zeker weten of het oeruniversum aan het opblazen of krimpen was, en hoe snel het dat deed. Dit is waar het probleem ligt. De standaardklok plaatste tijdstempels op elk van deze frames toen de film werd opgenomen vóór de oerknal, en vertelt ons hoe we de film moeten afspelen."

Het team berekende hoe deze standaard kloksignalen eruit zouden moeten zien in niet-inflatoire theorieën, en suggereerde hoe ze zouden moeten worden gezocht in astrofysische waarnemingen. "Als er een patroon van signalen werd gevonden die een samentrekkend universum vertegenwoordigen, het zou de hele inflatietheorie vervalsen, ' zei Xianyu.

Het succes van dit idee ligt in het experimenteren. "Deze signalen zullen heel subtiel zijn om te detecteren, "Chen zei, "en dus moeten we misschien op veel verschillende plaatsen zoeken. De kosmische microgolfachtergrondstraling is zo'n plaats, en de verdeling van sterrenstelsels is een andere. We zijn al begonnen met het zoeken naar deze signalen en er zijn al enkele interessante kandidaten, maar we hebben meer gegevens nodig."

Veel toekomstige melkwegonderzoeken, zoals US-lead LSST, Euclid van Europa en het nieuw goedgekeurde project van NASA, SphereX, wordt verwacht dat ze gegevens van hoge kwaliteit leveren die voor het doel kunnen worden gebruikt.

De preprint van dit artikel is beschikbaar op:arxiv.org/abs/1809.02603 . Een verwant eerder werk is te vinden in:arxiv.org/abs/1509.03930.