Auf einer asymmetrischen Karte des Weltraums sind Spuren seines Ursprungs sichtbar

Auf dem Bild des frühen Universums, das vom Planck-Teleskop erhalten wurde, ist ein seltsames Muster sichtbar: Die Temperaturschwankungen im Teil des Himmels rechts von der grauen Linie sind stärker als in seinem Teil links von der Linie

Wenn unser Universum im Moment seines starken Wachstums in der ersten Sekunde seines Bestehens gegen ein benachbartes Universum stoßen würde, würde eine solche Kollision Spuren hinterlassen. Und Matthew Kleban glaubt, dass er eine solche Spur in den detailliertesten der vorhandenen Fotografien der Morgendämmerung des Universums beobachtet. Das Satellitenbild bestätigt die Schlussfolgerung aus dem vorherigen Foto: Eine Hälfte des jungen Raums war gröber als die andere.

Da es nicht genügend andere Informationen darüber gibt, was in den ersten Augenblicken der Existenz des Universums passiert ist, versucht Kleban zusammen mit Dutzenden von Kosmologen-Theoretikern, die Geschichte der Entstehung des Weltraums anhand eines neuen körnigen Hinweises zusammenzustellen.


Matthew Kleban, außerordentlicher Professor für Physik an der New York University und Doktorandin Marjorie Shillo, diskutiert die Kollision zweier Universumsblasen

"Als sie ineinander stießen, entstand eine Schockwelle, die sich in unserem Universum ausbreitete", sagte Kleban. Eine solche Welle - wenn genau das das Bild zeigt - würde als Beweis für die Multiversum-Hypothese dienen, die bekannte, aber unbewiesene Vorstellung, dass unser Universum nur eines von unendlich vielen Universen ist, die in einem riesigen Vakuum entstehen.

Die meisten Kosmologen glauben, dass diese Spur falsch sein könnte.

"Dies ist ein Spiel mit hohen Einsätzen", sagte Mark Camionkowski , Professor für Physik und Astronomie an der Universität. John Hopkins, der mehrere neue Modelle des Urknalls vorschlug, erklärte die Asymmetrie zwischen den beiden Raumhälften. "Wir möchten noch mehr über den Ursprung des Universums wissen, aber die Natur gibt uns nicht zu viele Hinweise." Asymmetrie "kann sich als statistische Abweichung herausstellen", sagt Kamionkowski, "oder es kann nur die Spitze des Eisbergs sein."

Jeder wird die Zeit oder knifflige Tests beurteilen.

Die Asymmetrie unseres Universums wird in der Reliktstrahlung verfolgt - dem Nachleuchten, das von dem Moment an verbleibt, als das Universum 380.000 Jahre nach dem Urknall transparent wurde. Der Nebel geladener Teilchen, der bis dahin den Raum füllte, war ausreichend abgekühlt, um zu neutralen Atomen zu kondensieren, und setzte Licht frei, das sich zum ersten Mal ungehindert fortbewegen konnte. In den letzten Jahren hat der Planck-Satellit der Europäischen Weltraumorganisation ein 50-Megapixel-Bild dieses von allen Seiten ausgehenden Lichts gesammelt, und für jedes empfangene Photon wird die Temperatur aufgezeichnet, mit der es vor 13 Milliarden Jahren emittiert wurde.



Kosmologen glauben, dass sich die Quantenfluktuationen der Urknallzeit während des exponentiellen Wachstums, bekannt als Inflation, ausgedehnt haben und sich in heiße und kalte Orte verwandelt haben, die als Keime für Galaxien und Hohlräume dienten.

Reliktstrahlung zeigt, dass die Temperatur im 380.000 Jahre alten Universum nahezu gleichmäßig war und nur um einen Teil von 100.000 vom Durchschnitt abwich. Es wird angenommen, dass relativ kalte und heiße Gebiete - die Keime zukünftiger Galaxien und Hohlräume - zufällig aus Quantenfluktuationen stammten Energiestöße, die während des exponentiellen Wachstums im ersten Moment der Existenz des Universums, bekannt als Inflation, verstärkt wurden.

Kosmologen möchten diesen Prozess bis zur Ursache seines Auftretens zurückverfolgen.

In Ermangelung von Vorstellungen darüber, wie Physik in dem extrem heißen und komprimierten Zustand des neugeborenen Universums funktioniert, verwenden Physiker das „Spielzeugmodell“ des Ereignisses: Das Inflationsfeld, das den gesamten Raum ausfüllt, ging nach etwa 10 bis ³⁶ s nach dem Urknall in einen instabilen Zustand über. Dies führte zu einer Raumaufblähung von 10 ⁷⁸ Mal, wonach sich das Inflationsfeld nach ^10-30 s wieder stabilisierte. Nach diesem Modell sollte sich der Kosmos gleichmäßig dehnen und sich in eine gleichmäßig zufällige Verteilung der heißen und kalten Bereiche im CMB verwandeln. Aber die Daten widerlegen diese Meinung.

„Einerseits sind heiße und kalte Stellen heißer und kälter als andererseits“, erklärt Kamionkowski.

Die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) entdeckte erstmals 2007 Hinweise darauf, dass die Schwankungen in der einen Hälfte des CMB stärker sind als in der anderen. Aber dann könnte es auf einen Messfehler zurückzuführen sein. Die Planck-Karte untermauerte diese Beweise und zeigte detailliertere Schwankungen, die es den Physikern ermöglichten, mehrere Erklärungen fallen zu lassen und mehrere andere zu finden.

Die Asymmetrie der Temperaturschwankungen des Universums sowie der topografische Unterschied in den Gebieten der Vereinigten Staaten lassen sich am besten auf den größten Skalen erkennen. Ein Quadratmeter Land in Colorado ist nicht viel hügeliger als ein Quadratmeter in Indiana, aber mit der Zunahme der Berge und Täler Colorados wird es viel sichtbarer. "Ein Teil des Himmels kann man sich als Indiana und der andere als Colorado vorstellen", sagt Donghu Jong, Ph.D. von der Kamionkowski-Gruppe. - Diese Schwankungen sind sehr seltsam. Es ist schwer vorstellbar, warum sie entstanden sind. "

Einige Kosmologen glauben, dass dies eine statistische Abweichung ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine solche Asymmetrie bei der Geburt des Universums versehentlich auftritt, liegt im Bereich von 0,1% bis 1% - ungefähr so ​​hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass ein Münzwurf achtmal hintereinander geworfen wird.

"Wenn ich Geld darauf stecken würde, würde ich auf Schwankungen setzen", sagte Sean Carroll , Kosmologe am California Institute of Technology. - Aber der Punkt ist, dass wir nicht um Geld spielen. Wenn diese Informationen etwas über das frühe Universum aussagen, kann dies äußerst wichtig sein. "

Kosmologen haben bereits mehrere konkurrierende Theorien aufgestellt, die erklären, wie Ereignisse während und unmittelbar nach dem Urknall diese Asymmetrie erzeugen können.

Nur wenige Menschen glauben, dass das Spielzeugmodell, in dem das Feld der Inflation plötzlich auftauchte, vollständig erklären kann, was das Universum hervorgebracht hat. Dieses Feld könnte sich als eine der zusätzlichen verkürzten Dimensionen des Raums herausstellen, die uns die hypothetische „Theorie von allem“ sagt, die Stringtheorie, in der es höchstwahrscheinlich mehrere Inflationsfelder geben sollte. In einer Arbeit auf arXiv.org zeigte John MacDonald , ein Kosmologe an der Lancaster University in Großbritannien, dass ein Zweifeldmodell die Asymmetrie der Reliktstrahlung erklären kann, wenn das zweite kurvatonische Feld am Ende der Inflation und nach der Bildung dunkler Materie abfällt.

Als weitere Erklärung in einem Artikel für die Zeitschrift Physical Review D berechneten Kamionkowski und Kollegen, dass Asymmetrie durch Variationen bestimmter kosmologischer Parameter an verschiedenen Stellen im Universum entstehen könnte. Eines der wahrscheinlichsten Modelle, das eine Änderung des Parameters um 6% von einem Ende des Universums zum anderen beschreibt, „stimmt ziemlich gut mit den Beobachtungen überein“, sagte Kamionkowski. Der Parameter kann an verschiedene Raum-Zeit-Defekte gebunden sein, die nach einigen Theorien zu Katalysatoren für die Inflation werden könnten.



Oder, wie Kleban und seine Kollegen in einem Artikel in Physical Review D und in seiner nächsten Arbeit zeigen, könnte Asymmetrie als Ergebnis einer scharfen Kollision zweier Universen oder zweier Punkte unseres Universums auftreten. In der Multiversum-Hypothese müssen Blasen oft nahe beieinander entstehen und kollidieren. Blasen können auch während der Expansion um eine verdrehte räumliche Dimension mit sich selbst kollidieren (man kann sich einen Kreis vorstellen, der auf der Oberfläche eines Zylinders wächst). Eine solche Kollision könnte eine Inflation auslösen.

Wenn die Stoßwelle einer solchen Kollision in der Reliktstrahlung zu sehen ist, ist dies ein klarer Beweis für die Multiversum-Theorie, sagt Kleban. Aber höchstwahrscheinlich verschwand der Rand der Schockwelle hinter dem Horizont des beobachtbaren Teils des Universums und hinterließ wie ein vorbeifahrendes Schiff leichte Turbulenzen. Auf der Planck-Karte können die gestreckten Überreste einer solchen Spur dargestellt werden.

Diese Rückstände "werden die größten Strukturen beeinflussen, die wir beobachten", sagte Kleban. Sie sollten mit der Ausdehnung des Universums an Größe zugenommen haben, was zu einem ähnlichen Effekt wie die topografischen Unterschiede zwischen Colorado und Indiana hätte führen sollen.

Da jedes nachfolgende Inflationsmodell seine Vorhersagen über die Polarisationsrichtung des alten Lichts enthält, hilft eine neue „Polarisationskarte“ des CMB, die richtige aus den Hypothesen auszuwählen. Im Moment müssen Theoretiker ihre Urknall-Theorien an die verfügbaren Daten anpassen. "Es wird immer unbeweisbare Dinge geben, weil die richtige Technologie fehlt", sagte Kleban. "Sie müssen nur Versuche machen und Ihr Bestes geben."