宇宙学

宇宙的通货膨胀

通货膨胀理论规定了宇宙的加速扩张到其早期:它通过解释创造星系的材料的大小来获得了贵族。

阿兰花束 科学文件N°45
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在20世纪80年代,宇宙学中出现了不协调的想法,通货膨胀:刚刚在大爆炸之后,宇宙将跨越短暂的时间(10次 –33 第二种)加速膨胀在此期间,距离增加了一百次(2100)然后通货膨胀已经结束,让扩张继续缓慢。

我们将看到通胀出生在四个思想电流的交汇处,在那里它有助于解决一些问题:探讨粒子物理学理论的宇宙学后果;大爆炸理论的奇异吻合;量子宇宙的初稿;最后,星系诞生的想法是小密度波动。 25年来,通货膨胀的想法非常成功,因为它已先后回答了每个领域出现的几个问题。要了解它,让我们首先记住大型特色大爆炸的宇宙学。

可见的宇宙在大规模上是同质的,因为它在我们附近提供了大致相同的方面,距离一亿光年,我们将回来。然后简单地描述宇宙:通过在定性上扩张,均匀宇宙随着时间的推移而发展,导致物质和辐射的比例冷却。我们推断过去,宇宙更加密集和暖和。

笨重的遗物

物理法则的外推表明,在大爆炸时,大约有137亿年的时间,今天可见宇宙的物体之间的所有距离都几乎没有,而密度和温度是无限的。

一分钟后,温度与当前恒星的心脏的温度相似,并允许第一原子核的融合。大约400,000年后,当温度不再超过4,000个开塞尔蛋白时,形成了第一原子。然后将电磁辐射停止与材料相互作用,留下宇宙的膨胀。今天是宇宙学弥漫物质 (见Simon Prunet文章) 谁的温度约为3个开尔尔林。这个年轻宇宙的这个“照片”是一个不可替代的信息。他的光谱研究证实,宇宙一直处于热力学均衡,也就是说过去是温暖的。检测到的温度的波动是在去耦时材料的密度波动的压印。

当通货膨胀的想法出现时,在1980年,漫反射基金的光谱仍然是众所周知的,并且尚未检测到波动(两者观察都将由卫星进行 c 在1989年至1992年之间)。当时,粒子物理学家在单一数学框架中进行重新重新制定核和电磁相互作用,并试图通过将它们恢复到一个基本的互动,破碎成几个组件(低强度和强大的核动力,电磁核动力引力)随着温度降低。

然而,如果它永远不可能,这一统一只会仅发生比粒子加速器可访问的数十亿倍的能量。此外,为了测试从理论家的肥沃想象中发芽的模型,唯一的机会就是在达到这些能量时转向大爆炸后的第一个时刻。

我们注意到违反统一,在宇宙的冷却过程中,使不需要的遗物的数量从稳定的巨大颗粒到极端密度区域,其效果与观察结果相反。。如果一段通货膨胀在训练后稀释了这些遗物,这些困难消失了!

这种通货膨胀的想法也来到了一个指定的点,解释了大爆炸理论中的一系列奇异巧合。除了大规模宇宙的同质性之外,即漫射物质的温度几乎完美地表明,天空的不同地区必须在过去互动。然而,这种现象在经典的大爆炸理论中是不可能的:大爆炸和去耦之间的40万年太短,以至于光有时间从天空中从一端到另一端。随着通货膨胀,一切都可以解释:在它发生之前,元素已经有时间互动,他们尚未搬迁。

最后,今天的空间曲率是如此脆弱,无法测量它。这种现象在古典理论中是莫名其妙的。实际上,能量密度修复了空间时间的曲率,这可以在空间曲率和时间曲率的曲率中分解。在膨胀期间,空间的曲率减小,例如膨胀的球囊表面的曲率,但能量的密度更快地降低,并且在一秒钟的某些部分中可以忽略不计,这显然不是这种级数由于它总是控制扩张:因此,我们必须承认空间曲率在大爆炸上非常微小。

没有什么能在经典理论中禁止这些巧合,但宇宙学家类似于侦探:巧合仍然通过,但三个巧合需要解释。在这里,通货膨胀率拯救了这种情况:在通胀期间扩展之前有一个相当小的区域,直到其尺寸超过宇宙的整个可见部分。最后,空间的曲率降低,而能量密度在充气期间保持恒定,解决曲率的悖论。

与此同时,其他宇宙学家在宇宙量子模型的背景下探讨了通货膨胀的想法。这些是非常简化的模型,但在恰当的加速扩张是模型的天然解决方案,我们将回到它。

通货膨胀对许多人同时和通过各种航线来说是一个有吸引力的想法。具有讽刺意味的是,今天,巨大统一的模型被遗弃,宇宙的量子理论遵循不同的路线,另外可以解释一致:过去的光速可能会有所不同,或者大爆炸不是时间的巨大爆炸,但来自宇宙的阶段过渡。

因此,通货膨胀的初始动机部分已经过时,但是这个想法比以往任何时候都更加活跃,因为它预测了一些完全不同的东西:密度波动的初始分布,然后给出星系和丛。在取得这一成功之前,让我们在通货膨胀模型工作时仔细观察。

通货膨胀的变化

通货膨胀基于距离的增加比传统理论快得多:在这一个中,距离随着时间的力量而增加,但通货膨胀是加速的膨胀,其中距离随时间逐渐增加。

一般相对论正式:指数扩张需要一种从材料和我们所知道的辐射的不同能量的形式。最经济的形式,概念上至少是时间和空间的恒定能量密度,类似于1917年推出的宇宙常数 (请参阅Marc Lachize-Rey的文章) :一个空宇宙的材料,但具有宇宙学常数指数呈指数级呈指数量扩张。

然而,这种成分不足以建立一个可行的通胀模型。它必须一次停止一次,否则我们会失去大爆炸的经典理论的成功,例如偏移到红星系。因此,我们需要一个宇宙学常数,在片刻之后消失,变量常数短暂!

节省时间表的曲率来自能量密度:越多,曲率越多,发音越多,通过非常快速的膨胀,为均匀的宇宙转化为宇宙。爱因斯坦的宇宙常量可以漠不关心地解释曲率的贡献(爱因斯坦的解释)或对能源密度的贡献(今天是最常见的解释)。

让我们更进一步。通过在时空中分布的字段在量子理论中描述了材料和辐射,粒子是这些领域的局部激励。当不存在这些激励时,相应的字段仍然具有能量,称为“空”能量。如果这些字段没有变化,我们就无法区分其在爱因斯坦的意义上区分其宇宙学常量的空虚的能量。对扩展的影响是严格相同的,在这种形式的能量主导时是指数的。

但是,没有什么可以禁止这些字段不同。其真空的能量随着时间的推移而变化,并且从一个点到另一个空间。假设其中一个领域在遥远的过去中具有重要的真空能量,并且这种能量在一段时间之后变得可忽略不计。然后,随着该领域的真空的能量占主导地位所有其他形式的能量的能量,扩展将是指数的,而是将成为稍后成为一个简单的力量,恰好再现了所需的行为。

问题已经解决了吗?不,因为粒子物理标准模型中没有一个字段满足这一要求。因此,物理学家通过添加没有实验指示的字段来扩展了该模型;其中一个领域是令人挑剔的,因为它负责通货膨胀。

在田间的量子理论中,“空”的能量密度取决于场的值,这值最小化能量密度。当该最小值为零或非常小时,该领域的能量密度是由于其激动,颗粒。但是,如果该字段没有“良好”的值(最小化真空能量的良好“值,则它的贡献可以远大于颗粒的贡献。这种情况是不稳定的,该领域自发地发展到最低能量。治理这种进化的等式类似于斜坡上的滑动球的等式 (见图3)。在一个扩大的世界中,增加了与扩展速度成比例的术语,这起到了摩擦力减慢了场景的演变的作用。什么成为我们的场景?

在宇宙中的某个地方,涌入领域暂时远离均衡位置,最小化其空虚的能量。这种能量,然后是大量的,导致对时空的强烈曲率,也就是说一个非常快速的膨胀。摩擦是重要的,并使进化速度降低到最小能量。因此,通货膨胀几乎是指数级,持续很长时间,根据我们的意愿。

通货膨胀型号?

然后,膨胀场接近最小能量,膨胀速度降低。涌入的演变不再是品牌的,后者围绕其平衡位置,其辐射能量振荡。在物理上,这种现象对应于能量从涌入到材料和普通辐射的能量转移:通胀阶段结束,我们已经加入了大爆炸的经典阶段。

这种情况更加诱人的是,选择涌入场与其空隙的能量之间的关系几乎是无限的:大多数最小粒子物理延伸导管可以导致通货膨胀与可明智的参数选择。唉,魔鬼隐藏在细节中,这里是无辜的词“明智”。非常精确的参数选择对于建立一种可行的通胀模型至关重要。宇宙家将通过将它们传递给粒子的物理学家来解决他的巧合问题吗?

一般相对性描述的扩张宇宙中的量子理论(充气机)具有自然的质量(或能量),普通的质量。这种质量由三个基本常数定义,这是普通常数,光速和牛顿的重力常数:第一次介入量子理论,另外两个,在一般相对性中。

这种共存导致两种困难。首先,在这种规模的引力时应分正治疗。 1980年,没有量子的引力理论存在,所以今天至少有两个是脚手架 - 绳索理论 (见Pierre Ramond的文章) 和循环理论 (见Carlo Rovelli文章) - 没有人仍然非常详细地对待这个问题。我们不存在。

第二类困难是由预测,通过通胀理论,精确分布密度的精确分布。甚至在观察之前 毛皮, 1992年,我们知道这些波动应该非常小,因为他们无法观察到,显着结合我们正在谈论的参数。

希望找到一个型号的参数将有更多自由,花了很多努力,已经花了25年来建造数百个可以组合成三类的通货膨胀模型。

在第一(第一膨胀模型)的那些中,充气机通过最小的能量从最小的能量转移到更稳定的最小值,如相转变。第二个,其中inclaton从不稳定的情况移动到稳定的情况,对应于“混沌”通胀的模型,这具有尊重的尊重。第三个第三对应于连续使用多个inforatons的“混合”模型。

通货膨胀冻结的量子波动

最常见的是,这些模型不需要精细调整它们的设置,但成本较大复杂性。该分类很重要,因为每个类预测不同类型的密度波动,因此可以通过对漫射物质上的这些波动的印记的观察来区分。

这些型号仍然没有实验支持,其理论理由仍然非常含糊,而且它们需要比宇宙所需的参数的几乎更好的参数进行良好调整。为什么这么多努力?由于几家物理学家早在1981年,通货膨胀率为一个机制自动转化不可避免的量子密度波动,微观规模,在星系的起源处的非常大规模的波动。 (见图2).

这些量子波动就像粒子 - 抗粒子对的持续自发外观,然后几乎立即湮灭。然而,如果宇宙的扩展非常快,则该对的成员可以如此快速地远离彼此移动,因为它们的剥落不再可能:波动被冻结。出现和消失的颗粒的芭蕾逐渐离开宏观区域的交替,其能量密度高于平均和更低的密度区域。同时,在整个通胀持续过程中,其他量子波动已经出现了,扩张和冷冻,然后不断地冻结,然后,在整个通胀期间。因此,这产生了10个尺寸的波动分布 –35 米到星系的大小,远远超出。

该分配不适用。当形成波动时,通过发射的能量密度来固定它们的幅度(相对于在整个漫射底部测量的平均值的浓度偏差。但是对于通胀的持续时间,这种密度几乎不变,因此它们形成的波动的幅度保持不变。

因此,任何充气模型都预测了具有全部,在第一近似的宏观波动的分布,无论其尺寸如何,也就是说分布是不变的刻度。这种分布已在20世纪70年代发布于20世纪70年代,由Edward Harrison和Yakov Zeldovich解释了星系和星系集群的尺寸的分布。但是,通货膨胀之前没有提出任何机制。

此外,通货膨胀预测,分布不应该正是哈里森和塞尔多维奇的分布。能量密度在充气期间变化,而入口流向这种密度的最小值。结果,波动的幅度必须以不同的方式与其不同的方式变化。根据其尺寸和哈尔森和塞尔多维奇假设的波动幅度的实际分布的比较将区分所提出的不同模型。

实际上,情况更复杂,因为在训练后的波动幅度并不常见。它增加,因为密集区域吸引了较少茂密的区域的能量。这种重力不稳定机构很活跃,只要波动的尺寸仍然小于哈勃半径。在一个年龄宇宙中 t,哈勃半径是光线可以交叉持续时间的距离 t。因此,在此时操作的物理机制的作用半径,例如重力不稳定。在迅速的扩展期间,宇宙中的尺寸在漏洞半径变化时呈指数级增长。当波动的尺寸超过这个哈勃的这种半径时,其幅度然后冻结,波动不会增加(其尺寸继续增加到宇宙的扩展速度)。波动的幅度,在出生时通过发射器的能量密度固定,从而增加,直到它的尺寸达到哈勃半径时被冻结。

时间通行证,通货膨胀被较慢的膨胀所取代,其中宇宙中的尺寸现在越来越慢,而不是哈勃半径。当给定尺寸波动看到哈勃半径超过其尺寸时,它来自一瞬间。它的幅度然后恢复成长。

散射底部的极化

此外,密度波动可以作为声波振荡 (请参阅Wayne Hu的文章),压缩和扩张交替。通货膨胀理论,单独预测这些波是连贯的。

这些声学振荡还导致宇宙漫射背景的极化。每个光子通过在电子上广播来极化,但是将构成漫射底部的光子的叠加模糊整体图像。然而,温度各向异性导致辐射的偏振低,所有更标记为材料快速移动:最终,当波动振荡时,极化在最大压缩或扩张时最小,并且当压缩是中间的最大值。因此,充气理论提供了低偏振,其波动与密度和温度的波动相比 (见图4)。

因为她是有吸引力的,是通货膨胀科学的想法吗?换句话说,它是否提供预测,可以驳斥吗?空间的零曲率和可见宇宙的均匀性不构成测试,但我们已经看到通货膨胀预测了准不变的密度波动的分布,预测了漫射基金中标记的声学峰的存在,预测它将不观察到可能统一破裂的遗传,预测可见宇宙的拓扑尽可能简单。到目前为止已经验证了所有这些预测。

通过将通过漫反射物质获得的数据与由星系的普查获得的那些一起利用,通过宇宙中观察到的较大尺寸的波动的幅度的分布从宇宙中观察到的较大尺寸。 (见Michael Strauss文章)。我们必须考虑到,对于小于星系的大小,引力不稳定的机制正在赛车,并迅速突出密度的对比,并且我们必须弥补这种效果以获得原始分布。

检查了它,这种分布是不变的,在第一近似,确认哈里森和塞尔多维奇的假设。我们可以评估这种分布的差距,并开始减少通胀模型的数量。实际上,我们已经看到,这种差距反映了空气空气空虚能量密度的演变,从而反映了充气机领域与其空虚的能量密度之间的关系。

通过体验观察到漫反射背景中提供的声峰 博莫朗 2001年,并通过探针非常精确地确认 WMAP. 在2003年。这些峰的位置及其高度取决于几个宇宙学参数,例如宇宙的空间曲率和膨胀速度,可以用精度固定。

通货膨胀还预测,漫反射底部必须是极化的,并且由充气模型确定的极化程度对应于什么 WMAP. 观察到的。在通货膨胀期间创建的引力波也会在弥漫背景上留下他们的印记,但它是 先验 要低得多。但是,它应该在卫星的范围内 普朗克, 谁的发布计划于2007年。

最后预测:由于整个可观察到的世界来自通货膨胀前的一个小区域,其拓扑应该非常简单。该宇宙必须是计划的三维类似物,而不是圆柱体,或者圆环,或者更复杂地折叠。在这些复杂的拓扑中,不同的观察方向导致相同的空间,如镜子库中。观察 WMAP. 这一点仍然含糊不清:有些人检测在不同方向上的相同波动的重复,其他人没有。未来会告诉我们它是什么。

通货膨胀的想法已经发明了解决问题......不存在或否则,但它已被留出不同的原因:它的独特能力解释星系的起源和宇宙的巨大结构预测漫反射背景的波动。整个部分仍然不确定,但在理论物理学中探索的所有投机理论中,通货膨胀是唯一一个导致预测的人,并通过观察来验证它们。

为什么她也在工作?它令人不安的是,其理论基础仍然脆弱,其说明了数百种建议的模型。基本原因是,它们是田野理论的范围,而引力,今天是知识边界。量子引力领域的进展已经非常快,十年来,通货膨胀率可能揭示了难题的关键作品,这是一小部分未来理论。

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