Фотонные флуктуации мы можем обнаруживать на угловых масштабах менее одного градуса, исследуя микроволновое реликтовое излучение. Самая мощная деталь, так называемый доплеровский пик, в спектре мощности реликтового излучения соответствует угловому размеру чуть менее градуса. Это размер звукового горизонта на момент рекомбинации – более крупные области не успевают совершить ни одного полуколебания. На меньших масштабах видны более слабые детали, называемые акустическими пиками, они связаны с акустическими осцилляциями в барионном веществе в эпоху рекомбинации.
Первичные неоднородности в распределении плотности вещества можно изучать по их следам в реликтовом фоне.
Наблюдения показывают, что неоднородности температуры по отношению к ее среднему значению составляют примерно 0,00001, это соответствует уровню флуктуаций плотности на момент рекомбинации. Высота акустических пиков в спектре мощности реликтового излучения сильно зависит от доли барионов в полной плотности, а положение пиков – от кривизны пространства. Наблюдения позволяют определить, что наша Вселенная с высокой (меньше 1 %) степенью точности описывается евклидовой геометрией, а доля барионов в полной плотности составляет 4–5 %.
В современной стандартной космологической модели (которая еще нуждается в непосредственном подтверждении) первичные флуктуации плотности связаны со стадией инфляции в ранней Вселенной. По своей природе они квантовые, флуктуирует само поле, отвечающее за инфляцию, – инфлатон. Экспоненциальное раздувание (очень быстрое расширение), которое происходит на стадии инфляции, усиливает вакуумные флуктуации всех полей. Пока колебания поля малы, они просто осциллируют, но, когда расширение растягивает их до масштабов горизонта, они «замерзают», застывают. Впоследствии они становятся зародышами флуктуаций плотности, из которых и начнет расти наблюдаемая сегодня структура Вселенной.
Теория инфляции предсказывает, что начальные возмущения должны быть максимально случайными (гауссовыми) и что у них нет выделенного масштаба. Именно это и подтверждается в настоящее время по данным наблюдений реликтового фона.
Первичные возмущения плотности возникают на стадии инфляции за счет квантовых флуктуаций.
Флуктуации плотности, «замерзшие» на разных стадиях, имеют различный масштаб. Из-за расширения Вселенной этот масштаб растягивается, но это происходит медленнее, чем растет возраст (масштабный фактор растет как корень из возраста на радиационно-доминированной стадии и как возраст в степени 2/3 на стадии доминирования вещества). А размер горизонта линейно зависит от времени (растет как время в первой степени). Поэтому постепенно флуктуации, имеющие размер больше горизонта (такие флуктуации уже не растут), оказываются внутри горизонта, и может начаться их дальнейший рост.