Efekty gwałtownego „pęcznienia” Wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu można porównać do efektów, które powodują rozchodzenie się ścieżek mrówek podróżujących po powierzchni trąbki.

Przekonują o tym naukowcy z Polski i z Francji w pracy opublikowanej we wrześniu w czasopiśmie „Physical Review Letters”. Uczeni dowodzą, że ich wyniki mogą mieć znaczenie dla oceny możliwości wykrycia fal grawitacyjnych pochodzących z epoki kosmologicznej inflacji.

Od Wielkiego Wybuchu sprzed ok. 14 miliardów lat Wszechświat się rozszerza. Najdalsze, najstarsze dostępne obserwacjom obszary Wszechświata wyglądają bardzo podobnie. Ta jednorodność wczesnego Wszechświata jest dla naukowców zagadką.

Odpowiedzią jest hipoteza kosmologicznej inflacji. Mówi ona, że w początkowych chwilach po Wielkim Wybuchu Wszechświat wystarczająco długo był dostatecznie mały, by różne jego obszary zdążyły się ze sobą skomunikować i ustalić podobieństwo. Później nastąpiła krótka faza intensywnego rozszerzania się Wszechświata, zwana fazą inflacji. Po niej tempo rozszerzania się Wszechświata zwolniło.

Nie istnieje jeden uniwersalny schemat teoretyczny opisujący inflację, ale można rozważać cechy wspólne wielu modeli, których przewidywania pasują do obserwacji. Dr Krzysztof Turzyński (Wydział Fizyki UW) i dr Sebastien Renaux-Petel (Institut d’Astrophysique de Paris i Sorbona) zwrócili uwagę na fakt, że jeśli ewolucja inflacyjna pól oddziaływania zachodzi w przestrzeni z ujemną krzywizną, to może to prowadzić do istotnych efektów, które trzeba uwzględnić przy ocenie poprawności teorii opisujących wczesną ekspansję Wszechświata.

Pojęcie ujemnej krzywizny tłumaczy dr Turzyński: – Dwie mrówki rozpoczynające wędrówkę po powierzchni pomarańczy w równoległych kierunkach będą się do siebie zbliżać. Dzieje się tak, ponieważ powierzchnia pomarańczy ma dodatnią krzywiznę. Gdyby mrówki te znajdowały się na powierzchni o ujemnej krzywiźnie, takiej jak hiperboloida lub powierzchnia czary trąbki, to ich drogi by się rozchodziły. Zasadę rozbiegania się torów w przestrzeni o ujemnej krzywiźnie stosuje się nie tylko do mrówek, ale także do abstrakcyjnych bytów, takich jak pola związane z inflacją.

Jeśli przestrzeń, w której lokujemy wartości pól wywołujących inflację, nie jest płaska i ma ujemną krzywiznę, to może to prowadzić do poważnych niestabilności podczas inflacji. – Jeżeli niestabilności te są dostatecznie duże, mogą nawet przerwać inflację, co wymusza nową interpretację danych obserwacyjnych dotyczących wczesnego Wszechświata. Wynika stąd w szczególności, że pierwotne fale grawitacyjne powstałe podczas inflacji mogą być jeszcze trudniejsze do wykrycia, niż dotąd sądzono – wyjaśnia dr Turzyński.