Bijna iedereen is bekend met de oerknal - het idee dat een onmogelijk hete, het dichte universum explodeerde in het universum dat we vandaag kennen. Maar wat weten we over wat eraan voorafging?

In de zoektocht om verschillende puzzels op te lossen die zijn ontdekt in de begintoestand van de oerknal, wetenschappers hebben een aantal theorieën ontwikkeld om het oeruniversum te beschrijven, waarvan de meest succesvolle - bekend als kosmische inflatie - beschrijft hoe het universum in een vluchtige fractie van een seconde vlak voor de oerknal dramatisch in omvang uitbreidde.

Maar hoe succesvol de inflatietheorie ook is geweest, controverses hebben in de loop der jaren tot actieve debatten geleid.

Sommige onderzoekers hebben heel verschillende theorieën ontwikkeld om dezelfde experimentele resultaten te verklaren die de inflatietheorie tot dusver hebben ondersteund. In sommige van deze theorieën het oeruniversum krimpde in plaats van uit te breiden, en de oerknal was dus een onderdeel van een oerknal.

Sommige onderzoekers, waaronder Avi Loeb, de Frank B. Baird, Jr. Professor of Science en voorzitter van de afdeling Astronomy - hebben hun bezorgdheid geuit over de theorie, wat suggereert dat zijn schijnbaar eindeloze aanpassingsvermogen het bijna onmogelijk maakt om te testen.

"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 welk resultaat van de waarneembare mensen die ze wilden meten, zou blijken te zijn, er zijn altijd enkele inflatiemodellen die dit kunnen verklaren." experimenten kunnen alleen helpen om enkele modeldetails vast te stellen in het kader van de inflatietheorie, maar kan de geldigheid van het raamwerk zelf niet testen. Echter, falsifieerbaarheid zou een kenmerk van elke wetenschappelijke theorie moeten zijn.

Dat is waar Xingang Chen om de hoek komt kijken.

Een hoofddocent sterrenkunde, Chen en zijn medewerkers hebben jarenlang het idee ontwikkeld om iets dat hij een 'oer-standaardklok' noemde, te gebruiken als een sonde van het oer-universum. Samen met Loeb en Zhong-Zhi Xianyu, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde, Chen paste dit idee toe op de niet-inflatoire theorieën nadat hij hoorde over een intens debat in 2017 dat zich afvroeg of inflatoire theorieën überhaupt voorspellingen doen. In een paper gepubliceerd als een Editor's Suggestion in Fysieke beoordelingsbrieven , het team heeft een methode ontwikkeld die kan worden gebruikt om de inflatietheorie experimenteel te vervalsen.

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 evolutionaire geschiedenis van de grootte van het oorspronkelijke universum. "Bijvoorbeeld, tijdens inflatie, per definitie groeit de omvang van het heelal exponentieel, " zei Xianyu. "In sommige alternatieve theorieën, de grootte van het universum krimpt - in sommige heel langzaam en in sommige heel snel.

"De conventionele waarnemingen die mensen tot nu toe hebben voorgesteld, hebben moeite om de verschillende theorieën te onderscheiden, omdat deze waarnemingen niet direct gerelateerd zijn aan deze eigenschap, " vervolgde hij. "Dus we wilden ontdekken wat de waarneembare dingen zijn die kunnen worden gekoppeld aan die bepalende eigenschap."

De signalen die door de oer-standaardklok worden gegenereerd, kunnen hiervoor dienen.

Die klok, Chen zei, is elk type enorm zwaar elementair deeltje in het energetische oeruniversum. Dergelijke deeltjes zouden in elke theorie moeten bestaan, en ze oscilleren met een regelmatige frequentie, net als het zwaaien van de slinger van een klok.

Het oeruniversum was niet helemaal uniform. Kwantumfluctuaties werden de kiemen van de grootschalige structuur van het huidige universum en een belangrijke informatiebron waarop natuurkundigen vertrouwen om te leren wat er vóór de oerknal gebeurde. De door Chen geschetste theorie suggereert dat tikken van de standaardklok signalen genereerden die in de structuur van die fluctuaties werden ingeprent. En omdat standaardklokken in verschillende oeruniversums verschillende signaalpatronen zouden achterlaten, Chen zei, ze kunnen misschien bepalen welke theorie van het oeruniversum het meest nauwkeurig is.

"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 hij 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 waar deze film over gaat."

Het team berekende hoe deze standaard kloksignalen eruit zouden moeten zien in niet-inflatoire theorieën, en stelde voor hoe ze te zoeken in astrofysische waarnemingen. "Als er een patroon van signalen werd gevonden die een samentrekkend universum vertegenwoordigen, "Xianyu zei, "het zou de hele inflatoire theorie vervalsen, ongeacht welke gedetailleerde modellen men construeert."

Het succes van dit idee ligt in het experimenteren. "Deze signalen zullen heel subtiel zijn om te detecteren, Chen zei. "Ons voorstel is dat er een soort enorme velden zouden moeten zijn die deze afdrukken hebben gegenereerd en we hebben hun patronen berekend, maar we weten niet hoe groot de totale amplitude van deze signalen is. Het kan zijn dat ze erg zwak en moeilijk te detecteren zijn, dus dat betekent dat we op veel verschillende plaatsen zullen moeten zoeken.

"De kosmische microgolfachtergrondstraling is één plaats, " vervolgde hij. "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 nog meer gegevens nodig."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.