Ett team av forskare har föreslagit ett kraftfullt nytt test för inflation, teorin om att universum expanderade dramatiskt i storlek på en flyktig bråkdel av en sekund direkt efter Big Bang. Deras mål är att ge insikt i en långvarig fråga:hur var universum före Big Bang?

Även om kosmisk inflation är välkänd för att lösa några viktiga mysterier om universums struktur och utveckling, andra mycket olika teorier kan också förklara dessa mysterier. I några av dessa teorier, universums tillstånd före Big Bang – det så kallade uruniversumet – drog ihop sig istället för att expandera, och Big Bang var alltså en del av en Big Bounce.

För att hjälpa till att avgöra mellan inflation och dessa andra idéer, frågan om förfalskning – dvs. huruvida en teori kan testas för att potentiellt visa att den är falsk – har oundvikligen uppstått. Vissa forskare, inklusive Avi Loeb från Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) i Cambridge, Massa., har väckt oro för inflationen, vilket tyder på att dess till synes oändliga anpassningsförmåga gör det nästan omöjligt att testa ordentligt.

"Falsifierbarhet borde vara ett kännetecken för alla vetenskapliga teorier. Den nuvarande situationen för inflation är att det är en så flexibel idé, det kan inte förfalskas experimentellt, " sa Loeb. "Oavsett vilket värde människor mäter för något observerbart attribut, det finns alltid några modeller för inflation som kan förklara det."

Nu, ett team av vetenskapsmän ledda av CfA:s Xingang Chen, tillsammans med Loeb, och Zhong-Zhi Xianyu från fysikavdelningen vid Harvard University, har tillämpat en idé som de kallar en "urstandardklocka" på de icke-inflationära teorierna, och lade fram en metod som kan användas för att förfalska inflation experimentellt. Studien kommer att dyka upp i Fysiska granskningsbrev som redaktörsförslag.

I ett försök att hitta någon egenskap som kan skilja inflation från andra teorier, teamet började med att identifiera den definierande egenskapen hos de olika teorierna – utvecklingen av storleken på det ursprungliga universum.

"Till exempel, under inflationen, universums storlek växer exponentiellt, " sa Xianyu. "I vissa alternativa teorier, universums storlek drar ihop sig. Vissa gör det väldigt långsamt, medan andra gör det väldigt snabbt.

"De attribut som folk hittills har föreslagit att mäta har vanligtvis problem med att skilja mellan de olika teorierna eftersom de inte är direkt relaterade till utvecklingen av storleken på det ursprungliga universum, " fortsatte han. "Så, vi ville hitta de observerbara attributen som kan kopplas direkt till den definierande egenskapen."

Signalerna som genereras av den ursprungliga standardklockan kan tjäna ett sådant syfte. Den klockan är vilken typ av tung elementarpartikel som helst i det ursprungliga universum. Sådana partiklar borde existera i vilken teori som helst och deras positioner bör oscillera med någon regelbunden frekvens, ungefär som tickandet av en klockas pendel.

Uruniversumet var inte helt enhetligt. Det fanns små ojämnheter i densiteten på små skalor som blev fröna till den storskaliga strukturen som observerades i dagens universum. Detta är den primära informationskällan som fysiker litar på för att lära sig om vad som hände före Big Bang. Tickarna på standardklockan genererade signaler som var inpräntade i strukturen av dessa oregelbundenheter. Standardklockor i olika teorier om det ursprungliga universum förutsäger olika mönster av signaler, eftersom universums evolutionära historia är annorlunda.

"Om vi ​​föreställer oss all information vi lärt oss hittills om vad som hände före Big Bang finns i en rulle med filmramar, sedan talar standardklockan om hur dessa bildrutor ska spelas, " Chen förklarade. "Utan någon klockinformation, vi vet inte om filmen ska spelas framåt eller bakåt, snabbt eller långsamt, precis som vi inte är säkra på om det ursprungliga universum blåstes upp eller dras samman, och hur snabbt det gick. Det är här problemet ligger. Standardklockan satte tidsstämplar på var och en av dessa bildrutor när filmen spelades in före Big Bang, och berättar för oss hur man spelar filmen."

Teamet beräknade hur dessa standardklocksignaler skulle se ut i icke-inflationära teorier, och föreslog hur de skulle sökas i astrofysiska observationer. "Om ett mönster av signaler som representerar ett sammandragande universum hittades, det skulle förfalska hela inflationsteorin, " sa Xianyu.

Framgången för denna idé ligger i experiment. "Dessa signaler kommer att vara mycket subtila att upptäcka, Chen sa, "och så vi kanske måste söka på många olika platser. Den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen är en sådan plats, och fördelningen av galaxer är en annan. Vi har redan börjat söka efter dessa signaler och det finns redan några intressanta kandidater, men vi behöver mer data."

Många framtida galaxundersökningar, såsom USA-ledande LSST, Europeans Euclid och det nyligen godkända projektet av NASA, SphereX, förväntas ge data av hög kvalitet som kan användas mot målet.

Förtrycket av detta dokument finns tillgängligt på:arxiv.org/abs/1809.02603. Ett relaterat tidigare arbete finns på:arxiv.org/abs/1509.03930 .