Afgezien van de kleine fluctuaties die hierboven zijn besproken (een deel op 100.000), vertoont de waargenomen kosmische microgolfachtergrondstraling een hoge mate van isotropie , een feit in de nulde orde dat zowel voldoening als moeilijkheid biedt voor een uitgebreide theorie. Enerzijds biedt het een sterke rechtvaardiging voor de aanname van homogeniteit en isotropie die de meeste kosmologische modellen gemeen hebben. Aan de andere kant zijn dergelijke homogeniteit en isotropie moeilijk te verklaren vanwege het “licht-horizon” -probleem. In de context van de kosmische microgolfachtergrond kan het probleem als volgt worden uitgedrukt. Beschouw de achtergrondstraling die een waarnemer van een willekeurige twee tegenoverliggende zijden van de hemel. Het is duidelijk dat wat de uiteindelijke bronnen (heet plasma) van deze straling ook zijn, de fotonen, die met de snelheid van het licht reizen sinds hun emissie door het plasma, nu pas de tijd hebben gehad om de aarde te bereiken. de ene kant van de lucht had geen tijd gehad om te ‘communiceren’ met de materie aan de andere kant (ze bevinden zich voorbij elkaars lichte horizon), dus hoe is het mogelijk (met betrekking tot een waarnemer in het juiste rustframe) dat ze ‘weten’ dezelfde temperatuur te hebben met een precisie die een deel op 100.000 benadert? Wat verklaart de hoge mate van hoekisotropie van de kosmische microgolfachtergrond?

Een mechanisme genaamd ‘inflatie’ biedt een aantrekkelijke manier uit dit dilemmaHet basisidee is dat bij hoge energieën materie beter wordt beschreven door velden dan door klassieke middelen. De bijdrage van een veld aan de energiedichtheid (en dus de massadichtheid) en de druk van de vacuümtoestand hoeft in het verleden niet nul te zijn geweest, ook al is dat nu wel. Gedurende de tijd van superunificatie (Planck-tijdperk, 10-43 seconden) of grote eenwording (GUT-tijdperk, 10-35 seconden), kan de laagste energietoestand voor dit veld overeen zijn gekomen met een ‘vals vacuüm’, met een combinatie van massa dichtheid en negatieve druk die door de zwaartekracht resulteren in een grote afstotende kracht. In de context van Einsteins algemene relativiteitstheorie, kan het valse vacuüm ook worden beschouwd als een bijdrage aan een kosmologische constante die ongeveer 10100 keer groter is dan tegenwoordig mogelijk is. kracht zorgt ervoor dat het universum exponentieel opblaast, waarbij de grootte ongeveer eens per 10−43 of 10−35 seconden wordt verdubbeld.Na minstens 85 verdubbelingen zou de temperatuur, die begon bij 1032 of 1028 K, zijn gedaald tot zeer lage waarden nabij het absolute nul.

Inflatie verschaft een mechanisme om de algehele isotropie van de kosmische microgolfachtergrond te begrijpen, omdat de materie en straling van het gehele waarneembare heelal in goed thermisch contact stonden (w ithin de kosmische waarnemingshorizon) vóór inflatie en kregen daarom dezelfde thermodynamische kenmerken. Snelle inflatie bracht verschillende porties buiten hun individuele evenementhorizon. Toen de inflatie eindigde en het universum opnieuw opwarmde en de normale expansie hervatte, verschenen deze verschillende delen, door het natuurlijke verstrijken van de tijd, weer aan onze horizon. Door de waargenomen isotropie van de kosmische microgolfachtergrond wordt geconcludeerd dat ze nog steeds dezelfde temperaturen hebben.

Gegeven de gemeten stralingstemperatuur van 2.735 K, kan worden aangetoond dat de energiedichtheid van de kosmische microgolfachtergrond ongeveer 1.000 keer kleiner is dan de gemiddelde rust-energiedichtheid van gewone materie in het heelal. Het huidige universum wordt dus gedomineerd door materie. Als men teruggaat in de tijd naar roodverschuiving z, waren de gemiddelde aantaldichtheden van deeltjes en fotonen beide groter met dezelfde factor (1 + z) 3 omdat het universum meer gecomprimeerd was door deze factor, en de verhouding van deze twee getallen zou zijn handhaafde zijn huidige waarde van ongeveer één waterstofkern, of proton, voor elke 109 fotonen. De golflengte van elk foton was in het verleden echter een factor 1 + z korter dan nu; daarom neemt de energiedichtheid van straling sneller toe met één factor 1 + z dan de rustenergiedichtheid van materie. De stralingsenergiedichtheid wordt dus vergelijkbaar met de energiedichtheid van gewone materie bij een roodverschuiving van ongeveer 1.000. Bij roodverschuivingen groter dan 10.000 zou straling zelfs over de donkere materie van het universum hebben gedomineerd. Tussen deze twee waarden, bij een roodverschuiving van ongeveer 1090, zou straling losgekoppeld zijn van materie wanneer waterstof recombineerde.Het is niet mogelijk fotonen te gebruiken om grotere roodverschuivingen waar te nemen, omdat het kosmische plasma bij temperaturen boven 4.000 K in wezen ondoorzichtig is vóór recombinatie. Deze fotonen van een roodverschuiving van 1090 vormen de kosmische microgolfachtergrond.

Frank H. Shu