Hoewel de algemene relativiteitstheorie van Einstein een groot aantal fascinerende astrofysische en kosmologische verschijnselen kan verklaren, sommige aspecten van de eigenschappen van het universum op de grootste schaal blijven een mysterie. Een nieuwe studie met behulp van luskwantumkosmologie - een theorie die de kwantummechanica gebruikt om de zwaartekrachtfysica uit te breiden tot voorbij de algemene relativiteitstheorie van Einstein - verklaart twee grote mysteries. Hoewel de verschillen in de theorieën op de kleinste schaal voorkomen - veel kleiner dan zelfs een proton - hebben ze gevolgen op de grootste toegankelijke schaal in het universum. De studie, die op 29 juli online in het tijdschrift verschijnt Fysieke beoordelingsbrieven , biedt ook nieuwe voorspellingen over het universum die toekomstige satellietmissies zouden kunnen testen.

Hoewel een uitgezoomde afbeelding van het universum er redelijk uniform uitziet, het heeft wel een grootschalige structuur, bijvoorbeeld omdat sterrenstelsels en donkere materie niet gelijkmatig over het heelal zijn verdeeld. De oorsprong van deze structuur is terug te voeren op de kleine inhomogeniteiten die zijn waargenomen in de Cosmic Microwave Background (CMB) - straling die werd uitgezonden toen het universum 380.000 jaar jong was en die we vandaag nog kunnen zien. Maar de CMB zelf heeft drie raadselachtige kenmerken die als anomalieën worden beschouwd omdat ze moeilijk te verklaren zijn met behulp van bekende fysica.

"Hoewel het zien van een van deze afwijkingen statistisch niet zo opmerkelijk is, twee of meer samen zien suggereert dat we in een uitzonderlijk universum leven, " zei Donghui Jeong, universitair hoofddocent astronomie en astrofysica aan Penn State en auteur van het artikel. "Een recente studie in het tijdschrift Nature Astronomy stelde een verklaring voor voor een van deze anomalieën die zoveel extra zorgen opriepen, ze signaleerden een 'mogelijke crisis in de kosmologie'. Met behulp van kwantumluskosmologie, echter, we hebben twee van deze anomalieën natuurlijk opgelost, het vermijden van die potentiële crisis."

Onderzoek in de afgelopen drie decennia heeft ons begrip van het vroege heelal aanzienlijk verbeterd, inclusief hoe de inhomogeniteiten in de CMB in de eerste plaats zijn geproduceerd. Deze inhomogeniteiten zijn het resultaat van onvermijdelijke kwantumfluctuaties in het vroege heelal. Tijdens een zeer versnelde expansiefase in zeer vroege tijden – bekend als inflatie – werden deze oorspronkelijke, minuscule fluctuaties werden uitgerekt onder invloed van de zwaartekracht en zaaiden de waargenomen inhomogeniteiten in de CMB.

"Om te begrijpen hoe oerzaden ontstonden, we moeten het vroege heelal van dichterbij bekijken, waar Einsteins algemene relativiteitstheorie instort, " zei Abhay Ashtekar, Evan Pugh hoogleraar natuurkunde, houder van de Eberly Family Chair in Physics, en directeur van het Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Het standaard inflatoire paradigma, gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie, behandelt ruimtetijd als een vloeiend continuüm. Denk aan een shirt dat eruitziet als een tweedimensionaal oppervlak, maar bij nader inzien kun je zien dat het is geweven door dicht opeengepakte eendimensionale draden. Op deze manier, het weefsel van de ruimtetijd is echt geweven door kwantumdraden. Bij het verwerken van deze threads, luskwantumkosmologie stelt ons in staat verder te gaan dan het continuüm dat wordt beschreven door de algemene relativiteitstheorie, waar de fysica van Einstein kapot gaat, bijvoorbeeld voorbij de oerknal."

Het eerdere onderzoek van de onderzoekers naar het vroege heelal verving het idee van een Big Bang-singulariteit, waar het universum uit het niets is voortgekomen, met de grote sprong, waar het huidige uitdijende heelal voortkwam uit een supergecomprimeerde massa die werd gecreëerd toen het heelal in de voorgaande fase samenkromp. Ze ontdekten dat alle grootschalige structuren van het universum die worden verklaard door de algemene relativiteitstheorie, in gelijke mate worden verklaard door inflatie na deze Big Bounce met behulp van vergelijkingen van de kwantumkosmologie van de lus.

In de nieuwe studie de onderzoekers stelden vast dat inflatie onder luskwantumkosmologie ook twee van de belangrijkste anomalieën oplost die onder de algemene relativiteitstheorie voorkomen.

"De oerfluctuaties waar we het over hebben, doen zich voor op de ongelooflijk kleine Planck-schaal, " zei Brajesh Gupt, een postdoctoraal onderzoeker aan Penn State ten tijde van het onderzoek en momenteel aan het Texas Advanced Computing Center van de Universiteit van Texas in Austin. "Een Planck-lengte is ongeveer 20 orden van grootte kleiner dan de straal van een proton. Maar correcties voor inflatie op deze onvoorstelbaar kleine schaal verklaren tegelijkertijd twee van de anomalieën op de grootste schalen in het universum, in een kosmische tango van het zeer kleine en het zeer grote."

De onderzoekers produceerden ook nieuwe voorspellingen over een fundamentele kosmologische parameter en oergravitatiegolven die zouden kunnen worden getest tijdens toekomstige satellietmissies, inclusief LiteBird en Cosmic Origins Explorer, die ons begrip van het vroege heelal zal blijven verbeteren.