Kosminen inflaatio

Kosminen inflaatio on kosmologian teoria, jonka mukaan maailmankaikkeus koki alkuräjähdystä seuraavien sekunnin murto-osien aikana tyhjiöenergian aiheuttaman eksponentiaalisen laajenemisen vaiheen. Laajenemisen nopeus ylitti valonnopeuden. Tämä on mahdollista, kun tarkastellaan alueita, jotka eivät ole kausaalisessa yhteydessä toisiinsa. Kosmologiset inflaatioteoriat ovat malleja, joilla pyritään kuvaamaan tätä prosessia.

Mihin inflaatiota tarvitaan?
1980-luvun alussa tunnettuun nk. standardikosmologiseen malliin liittyi eräitä ongelmia, joita sen avulla ei pystytty selittämään. Näitä olivat

 Universumin laakeus
 Horisonttiongelma

Universumin laakeus -ongelmassa kysymys kuuluu: jos maailmankaikkeus on kaareva, miksi mikään havainto ei viittaa kaarevuuteen (pallo/satula)? Periaatteessa tämä voitaisiin selittää säätämällä kosmologisissa malleissa käytetyn tiheysparametrin arvoa sopivasti mutta osoittautuu, että tämä säätö täytyisi tehdä juuri oikeaksi järjettömän suurella tarkkuudella. Horisonttiongelma puolestaan syntyy, kun kysytään, miksi eri puolilla näkyvää maailmankaikkeutta olevat alueet ovat niin samannäköisiä vaikkei niiden välillä ole voinut (valon äärellisestä nopeudesta johtuen) tapahtua sellaista informaation siirtymistä, joka olisi voinut muokata alueet samanlaisiksi.
Huomioitavaa on, että ennen Higgsin kentän muodostumista - universumin kehityksen aikajanalla - valon nopeudella ei ollut ylärajaa.

Näiden lisäksi kvanttifysikaalisista mittakenttäteorioista seuraa, että alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeuteen olisi pitänyt muodostua suuri joukko hyvin raskaita ja stabiileja hiukkasia. Näistä käytetään nimitystä kosmiset reliikit. Jos näitä hiukkasia olisi muodostunut, ne muodostaisivat huomattavan osan universumin massasta ja mahdollisesti jopa riittäisivät tekemään maailmankaikkeudesta suljetun (jolloin kaarevuuden pitäisi olla helposti havaittavissa). Yhtäkään kosmista reliikkiä ei ole havaittu eikä niiden massaosuus selvästikään ole merkittävä. Tästä syntyy standardikosmologian kolmas suuri ongelma.

 Kosmisten reliikkien puuttuminen

Standardikosmologialla ei ole mitään keinoa selittää näitä puutteita. Kosmisen inflaation idean keksi Alan Guth vuonna 1981 ja osoittautui, että inflaatio huomioimalla kaikki kolme ongelmaa saadaan ratkaistua.

Inflaatiomallit

Inflaatiomallien luokittelu 
Inflaatiomallit luokitellaan
Vanha inflaatiomalli (Guth 1981)
Uudet inflaatiomallit (suuri joukko erilaisia)

Vaihtoehtoja

Inflaatio tapahtui jo ennen alkuräjähdystä 
Tuoreet (v. 2018-2019) näkemykset sijoittavat kosmisen inflaation - aiemmasta poiketen - tapahtuneeksi ennen alkuräjähdystä.

Inflaatiota ei ollut lainkaan 

Kokonaan ilman inflaatiota on vaikea muodostaa toimivaa fysikaalista mallia maailmankaikkeudesta. Jotkut tutkijat ovat kuitenkin esittäneet vaihtoehtoisia malleja, joissa ei esiinny varsinaista inflaatiota. Tällaisia ovat esimerkiksi braanikosmologinen ekpyroottinen universumi, sen pohjalta kehitetty syklinen malli sekä muuttuvan valonnopeuden mallit.

Ekpyroottinen malli 

Säieteorioiden kirvoittama ekpyroottinen malli tarjoaa teorian, jonka mukaan maailmankaikkeus sai alkunsa kahden kolmiulotteisen 'braanin' törmäyksestä. Tällä hetkellä (v. 2018) ekpyroottinen malli on siirretty kosmologien piirissä syrjään - ainakin toistaiseksi.

Muuttuvan valonnopeuden malli

Lähteet

Aiheesta muualla 
Kosminen inflaatio
Esitelmä maailmankaikkeudesta, jossa on inflaation kritiikkiä
Inflaation vertailua ekpyroottiseen ja sykliseen malliin 

Kosmologia