Jedną z najważniejszych idei współczesnej kosmologii jest teoria inflacji kosmicznej. Powstała ona na początku lat 80. XX wieku jako rozszerzenie klasycznego modelu Wielkiego Wybuchu. Jej twórcami byli między innymi Alan Guth z Massachusetts Institute of Technology (MIT), Andriej Linde z Uniwersytetu Moskiewskiego, a także Paul Steinhardt i Andreas Albrecht z Uniwersytetu Pensylwanii.
Model inflacyjny nie zastępuje teorii Wielkiego Wybuchu, lecz uzupełnia ją, próbując wyjaśnić pewne zagadki dotyczące wczesnego Wszechświata. W standardowym modelu kosmologicznym pojawiły się bowiem pytania, na które trudno było znaleźć satysfakcjonującą odpowiedź.
Problem horyzontu
Jednym z najważniejszych problemów był tzw. problem horyzontu. Astronomowie zauważyli, że w bardzo dużej skali Wszechświat jest zaskakująco jednorodny. Oznacza to, że rozkład materii i energii w różnych kierunkach nieba jest niemal taki sam.
Najlepszym dowodem tej jednorodności jest mikrofalowe promieniowanie tła – bardzo słabe promieniowanie pozostałe po Wielkim Wybuchu. Jego temperatura w różnych częściach nieba różni się zaledwie o ułamki stopnia.
Powstaje więc pytanie: dlaczego odległe regiony kosmosu są tak podobne, skoro według standardowego modelu nie miały wystarczająco dużo czasu, aby „wymienić informacje” i osiągnąć taki sam stan?
Problem płaskości Wszechświata
Drugim ważnym zagadnieniem był problem płaskości. W kosmologii istnieje wielkość zwana parametrem gęstości Ω (omega). Określa ona stosunek rzeczywistej gęstości materii i energii we Wszechświecie do tzw. gęstości krytycznej.
Teoretycznie wartość tego parametru mogłaby przyjmować bardzo różne wartości. Tymczasem obserwacje wskazują, że omega jest niezwykle bliska jedności, co oznacza, że geometria Wszechświata jest niemal idealnie płaska. W standardowym modelu trudno było wyjaśnić, dlaczego właśnie taka wartość została „wybrana”.
Gwałtowne rozszerzenie w pierwszych chwilach kosmosu
Teoria inflacji proponuje rozwiązanie tych problemów. Zakłada ona, że tuż po Wielkim Wybuchu Wszechświat przeszedł krótką fazę niezwykle gwałtownego rozszerzania się.
W bardzo krótkim czasie – znacznie krótszym niż jedna sekunda – przestrzeń mogła zwiększyć swoje rozmiary nawet biliony razy. Ten okres błyskawicznej ekspansji nazywa się właśnie inflacją kosmiczną.
Po zakończeniu tej fazy tempo rozszerzania znacznie spadło i Wszechświat zaczął rozwijać się w sposób bardziej umiarkowany – taki, jaki obserwujemy do dziś.
Dlaczego inflacja „wygładza” Wszechświat
Inflacja pomaga wyjaśnić jednorodność kosmosu. Jeśli przed rozpoczęciem inflacji Wszechświat był stosunkowo mały, różne jego obszary mogły oddziaływać ze sobą i osiągnąć podobny stan. Następnie gwałtowne rozszerzenie „rozciągnęło” tę niewielką, jednolitą przestrzeń do ogromnych rozmiarów.
W rezultacie odległe dziś regiony Wszechświata wyglądają bardzo podobnie, ponieważ w przeszłości były częścią znacznie mniejszego i wspólnego obszaru.
Inflacja tłumaczy także problem płaskości. Podczas bardzo szybkiej ekspansji wszelkie krzywizny przestrzeni zostają silnie „rozciągnięte”, co sprawia, że w dużej skali Wszechświat wydaje się niemal idealnie płaski.
Potwierdzenia obserwacyjne
Jednym z najważniejszych przewidywań teorii inflacji jest szczególny wzór drobnych fluktuacji w mikrofalowym promieniowaniu tła. Fluktuacje te powinny być prawie takie same w różnych skalach przestrzeni – zjawisko to nazywa się skalową niezmiennością.
Pierwsze ważne potwierdzenie tych przewidywań przyniosły obserwacje wykonane przez satelitę COBE w latach 90. XX wieku. Późniejsze misje kosmiczne, takie jak WMAP oraz Planck, dostarczyły jeszcze dokładniejszych danych, które dobrze zgadzają się z przewidywaniami kosmologii inflacyjnej.
Jak duży jest Wszechświat?
Jedną z ciekawych konsekwencji teorii inflacji jest to, że Wszechświat może być znacznie większy niż obszar, który jesteśmy w stanie obserwować. Światło z najodleglejszych regionów potrzebuje miliardów lat, aby do nas dotrzeć, dlatego widzimy tylko fragment kosmosu – tzw. Wszechświat obserwowalny.
Inflacja sugeruje jednak, że poza tym obszarem mogą istnieć ogromne regiony przestrzeni, które pozostają dla nas niedostępne.
Dla wielu kosmologów teoria inflacji jest dziś jednym z najważniejszych elementów współczesnego obrazu Wszechświata, choć nadal prowadzone są badania mające jeszcze dokładniej sprawdzić jej przewidywania.
Bibliografia
Halpern, P. – Struktura Wszechświata
Guth, A. – The Inflationary Universe
Hawking, S. – Krótka historia czasu
Liddle, A., Lyth, D. – Cosmological Inflation and Large-Scale Structure