Zwaartekracht kan de homogenisering van ruimte-tijd versnellen naarmate het universum evolueert. Dit inzicht is gebaseerd op theoretische studies van de natuurkundige David Fajman van de Universiteit van Wenen. De wiskundige methoden die binnen het onderzoeksproject zijn ontwikkeld, maken het mogelijk om fundamentele open vragen van de kosmologie te onderzoeken, zoals waarom het universum tegenwoordig zo homogeen lijkt. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De tijdelijke evolutie van het universum, van de oerknal tot het heden, wordt beschreven door Einsteins veldvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Echter, er zijn nog een aantal openstaande vragen over kosmologische dynamiek, waarvan de oorsprong ligt in vermeende discrepanties tussen theorie en observatie. Een van deze open vragen is:waarom is het universum in zijn huidige staat zo homogeen op grote schaal?

Van de oerknal tot nu

Aangenomen wordt dat het heelal kort na de oerknal in een extreme toestand verkeerde, met name gekenmerkt door sterke fluctuaties in de kromming van de ruimtetijd. Tijdens het lange proces van expansie, het universum evolueerde toen naar zijn huidige staat, die op grote schaal homogeen en isotroop is - in eenvoudige bewoordingen:de kosmos ziet er overal hetzelfde uit.

Dit wordt afgeleid, onder andere, van de meting van de zogenaamde achtergrondstraling, die in elke waarnemingsrichting zeer uniform lijkt. Deze homogeniteit is verrassend omdat zelfs twee regio's van het universum die causaal van elkaar waren ontkoppeld, d.w.z. ze konden geen informatie uitwisselen - nog steeds identieke waarden van achtergrondstraling vertonen.

alternatieve theorieën

Om deze vermeende tegenstrijdigheid op te lossen, de zogenaamde inflatietheorie werd ontwikkeld, die een fase van extreem snelle expansie postuleert onmiddellijk na de oerknal, wat op zijn beurt de homogeniteit in de achtergrondstraling kan verklaren.

Echter, hoe deze fase verklaard kan worden in de context van Einsteins theorie vereist een aantal modificaties van de theorie, die kunstmatig lijken en niet direct kunnen worden geverifieerd.

Nieuwe bevindingen:Homogenisatie door zwaartekracht

Tot nu toe, het was niet duidelijk of de homogenisering van het universum volledig kan worden verklaard door de vergelijkingen van Einstein. De reden hiervoor is de complexiteit van de vergelijkingen en de bijbehorende moeilijkheid om hun oplossingen - modellen voor het universum - te analyseren en hun gedrag te voorspellen.

In het concrete probleem de tijdsevolutie van de oorspronkelijk sterke afwijkingen van de homogene toestand als kosmologische gravitatiegolven moet wiskundig worden geanalyseerd. Aangetoond moet worden dat ze in de loop van de uitdijing vervallen, waardoor het heelal zijn homogene structuur krijgt.

Dergelijke analyses zijn gebaseerd op moderne wiskundige methoden op het gebied van geometrische analyse. Tot nu, deze methoden konden dergelijke resultaten alleen bereiken voor kleine afwijkingen van de homogene ruimte-tijdgeometrie. David Fajman van de Universiteit van Wenen is er nu voor het eerst in geslaagd om deze methoden over te hevelen naar willekeurig grote afwijkingen.

De resultaten gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift PRL laten zien dat homogenisatie in de onderzochte klasse van modellen al volledig wordt verklaard door de theorie van Einstein en geen aanvullende aanpassingen vereist. Als deze bevinding kan worden overgedragen naar meer algemene modellen, het betekent dat het niet per se een mechanisme zoals inflatie nodig heeft om de toestand van ons huidige universum te verklaren, maar dat de theorie van Einstein eindelijk opnieuw zou kunnen zegevieren.