Альтернативные теории инфляции проверят с помощью «стандартных часов»

Физики из Гарварда предложили способ, с помощью которого можно выбрать одну из альтернативных теорий инфляции или фальсифицировать инфляционный сценарий как таковой. Для этого ученые рассчитали спектр возмущений кривизны пространства времени, возникающих из-за «стандартных часов» — колебаний массивного поля, сопровождающих эволюцию молодой Вселенной. Оказалось, что в инфляционном сценарии спектр постоянный, а в альтернативных сценариях осциллирует. Ученые утверждают, что до этого способа фальсифицировать инфляционный сценарий не существовало в принципе. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Несмотря на небольшие отклонения на масштабах планет и галактик, в среднем наша Вселенная практически идеально плоская и однородная. Последние измерения астрономов подтверждают, что, параметр, который входит в уравнение эволюции Вселенной и отвечает за ее кривизну, отклоняется от единицы не более чем на 10⁻¹⁴, а флуктуации реликтового излучения не превышают 0,1 процента. Объяснить эти значения в рамках стандартной теории Большого взрыва невозможно. Поэтому физики дополняют эту теорию космологической инфляцией — периодом быстрого расширения, в результате которого растягиваются квантовые флуктуации и разглаживаются неоднородности пространства-времени. Как такая модификация решает эти проблемы, можно прочитать в статьях «Рождение Вселенной» и «Всемогущая инфляция». В настоящее время инфляционная модель является общепринятой среди физиков-космологов.

Тем не менее, инфляционная модель не является единственной — физикам известно несколько альтернативных теорий, которые так же хорошо объясняют однородность и нулевую кривизну Вселенной. Например, теория «отскока», в которой периоду быстрого расширения предшествовал период быстрого сжатия. Хуже того, теория инфляции имеет серьезный недостаток, из-за которого ее нельзя считать по-настоящему научной теорией. Дело в том, что инфляционный сценарий включает в себя большой набор моделей, которые объединены общей идеей, но отличаются способом ее реализации. Результаты наблюдений почти всегда можно подогнать под одну из этих моделей. В этом смысле инфляция напоминает Стандартную модель из физики элементарных частиц: когда эта теория только зарождалась, физики пробовали разные калибровочные группы и сравнивали их предсказания с экспериментом. В конце концов оказалось, что в статьях и на конференциях все чаще и чаще встречается группа U(1)×SU(2)×SU(3), которую назвали стандартной. К сожалению, в отличие от Стандартной модели частиц Стандартную модель инфляции невозможно фальсифицировать (опровергнуть) с помощью прямого наблюдения. По крайней мере, до этого момента каждое предсказание (как положительное, так и отрицательное), которое казалось уникальным для инфляционного сценария, удавалось воспроизвести с помощью одной из альтернативной теорий.

Физики Абрахам Лёб (Abraham Loeb), Синан Чэнь (Xingang Chen) и Чжун-Чжи Сянью (Zhong-Zhi Xianyu), похоже, наконец, нашли явление, которое различает инфляцию и альтернативные сценарии (хотя бы теоретически). В основе предложенного метода лежит тот факт, что разные сценарии предсказывают разные законы a(t), по которым размер Вселенной меняется во времени. Правда, почувствовать эту разницу обычно невозможно, поскольку законы не связаны напрямую с наблюдаемыми величинами. В новой статье ученые предложили наблюдаемую величину, которая отражает вид закона a(t).

Для этого ученые заметили, что любая простая модель инфляции должна быть вложена в модель с большим числом полей, которая обладает корректным ультрафиолетовым поведением (то есть позволяет осуществить перенормировки и избавиться от нефизичных расходимостей). При этом масса некоторых из дополнительных полей обязательно превышает характерный масштаб простой модели, то есть масштаб на горизонте событий. Осцилляции таких полей, напоминающие осцилляции обычного гармонического осциллятора, физики называют «первичными стандартными часами» (primordial standard clocks). С одной стороны, «стандартные часы» оставляют «отпечатки» в распределении плотности материи. С другой стороны, они напрямую связаны с законом расширения Вселенной. Следовательно, по сигналу «стандартных часов» можно восстановить закон a(t) и различить альтернативные сценарии эволюции Вселенной.

Чтобы оценить величину этого сигнала, ученые сначала решили уравнение на моды массивного поля, помещенного в однородную Вселенную с заданным законом расширения. Исследователи рассмотрели закон расширения вида a(t) ~ (t/t₀)^p с произвольной степенью. В этом подходе значения |p| ≫ 1 воспроизводят инфляцию, значения −1 < p < 0 отвечают не-инфляционным моделям расширения, а значения 0 < p < 1 — сценариям сжатия. Затем физики подставили найденные моды в двухточечную корреляционную функцию, которая описывает возмущения кривизны пространства-времени. В результате ученые получили спектр таких возмущений, то есть нашли, как их амплитуда зависит от импульса «стандартных часов».

Оказалось, что в инфляционном сценарии спектр возмущений кривизны не зависит от импульса, тогда как в альтернативных сценариях он быстро осциллирует. Качественно это поведение можно объяснить тем, что в ходе инфляции массивное поле все время остается в классическом режиме и быстро колеблется, из-за чего интегралы в корреляционной функции в среднем равны нулю. В альтернативных сценариях такое сокращение происходит только для очень больших или очень маленьких импульсов. Более того, ученые подчеркивают, что получить осциллирующий спектр возмущений кривизны в инфляционном сценарии за счет «новой физики» очень сложно из-за «тонкой настройки» параметров. Другими словами, для этого нужно создать в инфляционном потенциале целую серию особенностей, расположенных в нужных местах и имеющих нужную силу, что кажется нереалистичным.

Таким образом, авторы статьи считают, что предложенный ими эффект хотя бы в принципе позволяет альтернативные теории инфляции или фальсифицировать инфляционный сценарий (поскольку он является общим для всех инфляционных моделей). Для этого нужно извлечь спектр возмущений кривизны из реликтового излучения. К сожалению, в настоящее время точности измерений не хватает, чтобы почувствовать такие возмущения.

Ранее мы писали о других исследования, выполненных под руководством Абрахама Лёба. Например, в 2016 году астрофизик предположил, что черные дыры, сигнал от слияния которых впервые зарегистрировала обсерватория LIGO (GW150614), родились из одной звезды. Это объясняет гамма-всплеск, дошедший до Земли на 0,4 секунды позже гравитационных волн. В декабре 2017 года Абрахам Лёб совместно с коллегой из Гарварда показал, что черные дыры не могут образоваться по стандартному сценарию раньше, чем через сто миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z ≈ 40). Теоретически, это наблюдение может указать на существование первичных черных дыр — если астрономы когда-нибудь зарегистрируют гравитационные волны от пары черных дыр с бо́льшим красным смещением. Самая известная работа физика изучает образование источников света (звезд и квазаров) в ранней Вселенной и к настоящему моменту имеет более 700 цитирований. Впрочем, также стоит отметить, что иногда ученый участвует в довольно авантюрных проектах.

Подробно прочитать про теорию космологической инфляции можно в материале «Инфляция космических масштабов» — пересказе обзора Андрея Линде, фактически разработавшего эту модель в 80-х годах прошлого века. А про современное состояние теории можно узнать из интервью Андрея Линде, которое ученый дал в конце прошлого года.

Дмитрий Трунин