Wetenschap
Anticiperen op toekomstige ontdekkingen:wetenschappers onderzoeken niet-triviale kosmische topologie
In een nieuwe Fysieke beoordelingsbrieven (PRL ) onderzoeken wetenschappers de mogelijkheid van niet-triviale of exotische topologieën in het universum om enkele van de afwijkingen te verklaren die te zien zijn in de Kosmische Microgolfachtergrond (CMB).
Ons kosmologische model van het universum, gebaseerd op de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie, houdt zich bezig met de geometrie van het universum zoals beïnvloed door materie en energie, die voor de meeste doeleinden als vlak wordt beschouwd.
Het zegt echter niets over de topologie van het universum zelf:is het oneindig, heeft het lussen, enz. De PRL Het onderzoek richt zich op dit aspect van het universum en op de vraag of de huidige modellen en gegevens de aanwezigheid van deze exotische of niet-triviale topologieën toestaan.
Het onderzoek wordt gedaan als onderdeel van de COMPACT-samenwerking bestaande uit een internationaal team van wetenschappers. Een van de co-auteurs van het onderzoek, prof. Glenn D. Starkman van de Case Western Reserve University in Ohio, VS, sprak met Phys.org over het werk van het team.
Toen hij zijn motivatie om dit werk voort te zetten besprak, zei hij:"De mogelijkheid dat het universum een 'interessante' topologie heeft, valt volledig binnen ons standaardmodel van de natuurkunde, maar wordt niettemin doorgaans als exotisch beschouwd."
‘Ik ben al lang bang dat we een buitengewone ontdekking over ons universum zouden missen als we alleen maar de andere kant op zouden kijken. Intussen zijn er steeds meer aanwijzingen dat het universum niet ‘statistisch isotroop’ is, dat wil zeggen dat de natuurkunde in alle richtingen hetzelfde is. Topologie is een heel natuurlijke manier waarop anisotropie ons universum binnensluipt."
Kosmische microgolfachtergrond
CMB is een type straling dat tot het microgolfspectrum behoort. Het werd in de jaren veertig voorspeld als een overblijfsel van de oerknal, maar werd in 1965 per ongeluk ontdekt.
Na de oerknal, de manier waarop het huidige heelal ontstond, was er niets anders dan een soep van fundamentele deeltjes en gassen bij extreem hoge temperaturen en drukken, vaak een oersoep genoemd.
Terwijl het heelal uitdijde, koelde het ook af. Dit leidde ertoe dat de fundamentele deeltjes zich combineerden om atomen te vormen. Tot nu toe hadden fotonen interactie met deze fundamentele deeltjes en verstrooiden ze zich, waardoor ze niet vrij konden reizen. Maar toen atomen zich eenmaal begonnen te vormen, konden fotonen zich vrijer verplaatsen, ongeveer 380.000 jaar na de oerknal.
Dit markeerde de verspreiding van CMB, dat wordt beschouwd als een 'nagloed' van de oerknal. Het bevat belangrijke informatie over het vroege heelal en de daaropvolgende processen die hebben geleid tot de vorming van grootschalige structuren zoals sterren en sterrenstelsels.
CMB is overal aanwezig en is voor het grootste deel uniform van temperatuur. Er zijn echter kleine schommelingen en afwijkingen in de CMB-gegevens die nog niet zijn verklaard.
De onderzoekers in de PRL studie suggereert dat deze fluctuaties en afwijkingen in CMB-metingen kunnen worden verklaard door niet-triviale topologieën van het universum te beschouwen, wat betekent dat we het niet als 'plat' hoeven te beschouwen.
Kosmische topologie
Topologie is een tak van de wiskunde die zich bezighoudt met de vorm en structuur van objecten. De regels van de topologie zijn heel anders dan de regels van de geometrie. Hoewel geometrie en topologie verschillende concepten zijn, beïnvloedt geometrie de topologie.
Geometrie definieert hoe de ruimte gekromd is (ruimtetijd wordt op kleine schaal als vlak beschouwd), en topologie definieert de algehele connectiviteit van de ruimte.
Als we een vlakke ruimte zouden hebben, kunnen we geen topologieën hebben waarbij de ruimte naar binnen buigt of lussen heeft. Dit betekent dat als we tussen twee punten reizen, we een rechtlijnig pad moeten nemen zonder omwegen of lussen.
Prof. Starkman legde uit:"Het universum lijkt misschien op een videogame uit de oude tijd, waarbij je door de rechterkant van het scherm te verlaten vanaf de linkerkant binnenkomt, zodat je via een rechtlijnig pad terug kunt komen waar je begon. Dit wordt meervoudig verbonden genoemd."
In wezen suggereert het rechte lijnpad dat, ondanks de schijn van continue beweging, de onderliggende topologie van de ruimte onverwachte connectiviteit mogelijk maakt, waarbij wat een lineair traject lijkt in feite in een lus terug kan keren naar zichzelf.
Overeenkomende temperatuurcirkels
Als het universum ‘meervoudig verbonden’ zou zijn (dat wil zeggen een niet-triviale topologie zou hebben), zouden we overeenkomende temperatuurcirkels waarnemen. Dit komt omdat licht dat van een bron (zoals een ster) reist, langs twee verschillende paden kan reizen en vanuit twee richtingen bij de waarnemer (de aarde) kan aankomen.
Dit laat vergelijkbare temperatuurschommelingen achter op een CMB-kaart (of hittekaart), wat resulteert in bijpassende temperatuurcirkels. Er is echter geen bewijs dat wijst op de aanwezigheid van deze overeenkomende temperatuurcirkels.
"Het ontbreken van op elkaar afgestemde temperatuurcirkels vertelt ons over de lengte van de kortste gesloten lus door ons heen, maar het vertelt ons niet over de lengte van de lussen door andere plaatsen", aldus prof. Starkman.
De afwezigheid van overeenkomende temperatuurcirkels in de CMB-gegevens suggereert dat als er een niet-triviale topologie bestaat, de lussen die door onze locatie (de aarde) gaan relatief klein moeten zijn.
Dit stelt een limiet aan de lengte van deze lussen. Prof. Starkman legde uit:"Als de CMB-afwijkingen te wijten zijn aan kosmische topologie, dan zou de lengte van de kortste lussen door ons niet meer dan ongeveer 20-30% langer moeten zijn dan de diameter van het laatste verstrooiingsoppervlak - een bol met een straal gelijk aan de afstand die het licht heeft afgelegd in de geschiedenis van het universum."
Toekomstige beperkingen en zoekopdrachten
In het licht van de bovenstaande beperking en de zoektocht naar niet-triviale topologie stellen de onderzoekers aanvullende manieren voor om een dergelijke topologie in de toekomst te detecteren.
In het bijzonder vermelden ze veranderingen in de statistische patronen van temperatuurschommelingen in CMB-gegevens, evenals in de grootschalige structuur van het universum. Deze fluctuaties of afwisselingen zouden aan het licht komen als er een niet-triviale topologie aanwezig zou zijn.
Maar deze detecties vereisen een enorme rekenkracht en de onderzoekers suggereren het gebruik van machine learning-algoritmen om berekeningen te versnellen en CMB-gegevens te ontginnen om niet-triviale topologie te detecteren.
"De zoektocht naar topologie zal worden hernieuwd na een onderbreking van ongeveer tien jaar. Hopelijk zullen we kosmische topologie detecteren en daardoor de oorsprong van de anisotropie van ons universum begrijpen en een glimp opvangen van de processen die verantwoordelijk zijn voor de oorspronkelijke opkomst van ons universum, " concludeerde prof. Starkman.
De studie benadrukt ook dat zelfs bij afwezigheid van expliciet overeenkomende cirkels de aanwezigheid van statistische anisotropie (of anomalieën) in de CMB wijst op het potentiële bestaan van detecteerbare informatie over de structuur en topologie van het universum.