Bedste svar
Multiverse kollisioner kan prikke himlen
Tidligt i den kosmiske historie har vores univers muligvis stødt på et andet – et oprindeligt sammenstød, der kunne have efterladt spor i Big Bangs efterglød.
Fysikere søger bevis for en gammel kollision med et andet univers.
Som mange af hendes kolleger Hiranya Peiris , en kosmolog ved University College London, afviste engang stort set forestillingen om, at vores univers måske kun var et af mange i et stort multivers . Det var videnskabeligt spændende, tænkte hun, men også fundamentalt uprøveligt. Hun foretrak at fokusere sin forskning på mere konkrete spørgsmål, som hvordan galakser udvikler sig.
Så en sommer i Aspen Center for Physics fandt Peiris sig at chatte med Perimeter Institutes Matt Johnson , der nævnte sin interesse i at udvikle værktøjer til at studere ideen. Han foreslog, at de samarbejdede.
Først var Peiris skeptisk. “Jeg tror som observatør, at enhver teori, uanset hvor interessant og elegant, mangler alvorligt, hvis den ikke har testbare konsekvenser,” sagde hun. Men Johnson overbeviste hende om, at der muligvis var en måde at teste konceptet på. Hvis det univers, vi bor i, for længe siden havde kollideret med et andet univers, ville sammenbruddet have efterladt et aftryk på den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), den svage efterglød fra det store brag. Og hvis fysikere kunne opdage en sådan signatur, ville det give et vindue ind i multiverset.
Erick Weinberg , en fysiker ved Columbia University, forklarer dette multivers ved at sammenligne det med en kogende kedel, med boblerne, der repræsenterer individuelle universer – isolerede lommer med rumtid. Når gryden koger, ekspanderer boblene og kolliderer undertiden. En lignende proces kan have fundet sted i de første øjeblikke af kosmos.
I årene siden deres første møde har Peiris og Johnson undersøgt, hvordan en kollision med et andet univers i de tidlige øjeblikke af tiden ville have sendt noget svarende til en stødbølge over vores univers. De tror, at de muligvis kan finde beviser for en sådan kollision i data fra Planck-rumteleskopet, som kortlægger CMB.
Projektet fungerer muligvis ikke, indrømmer Peiris. Det kræver ikke kun, at vi lever i et multivers, men også at vores univers kolliderede med et andet i vores primære kosmiske historie. Men hvis fysikere lykkes, vil de have det første usandsynlige bevis for et kosmos ud over vores eget .
Når bobler kolliderer
Multiverse teorier blev engang henvist til science fiction eller crackpot territorium. ”Det lyder som om, du er gået til et skørt land,” sagde Johnson, der har fælles udnævnelser ved Perimeter Institute of Theoretical Physics og York University. Men forskere er kommet med mange versioner af, hvad et multiversum kan være, nogle mindre skøre end andre.
Det multiversum, som Peiris og hendes kolleger er interesseret i, er ikke den kontroversielle hypotese om “mange verdener”, der var først foreslået i 1950erne og hævder, at hver kvantebegivenhed skaber et separat univers. Dette koncept om et multivers er heller ikke relateret til den populære science-fiction trope af parallelle verdener, nye universer, der klemmer sig væk fra vores rumtid og bliver separate verdener. Snarere opstår denne version som en konsekvens af inflation, en bredt accepteret teori om universets første øjeblikke.
Inflationen hævder, at vores univers oplevede en pludselig burst af hurtig ekspansion et øjeblik efter Big Bang, sprængt op fra et uendeligt lille plet til et, der spænder over en kvart milliard lysår i bare brøkdele af et sekund.
Alligevel har inflation en tendens til aldrig at stoppe helt. Ifølge teorien, når universet først udvider sig, vil det ende nogle steder og skabe regioner som det univers, vi ser rundt omkring os i dag. Men andre steder vil inflation simpelthen fortsætte evigt ind i fremtiden.
Denne funktion har fået kosmologer til at overveje et scenario kaldet evig inflation. På dette billede holder de enkelte rumområder op med at blæse op og bliver til “bobleunivers” som den, vi lever i. Men på større skalaer fortsætter eksponentiel ekspansion for evigt, og der oprettes løbende nye bobleunivers. Hver boble betragtes som et univers i sig selv på trods af at det er en del af den samme rumtid, fordi en observatør ikke kunne rejse fra en boble til den næste uden at bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Og hver boble kan have sine egne forskellige fysiske love. ”Hvis du køber evig inflation, forudsiger det et multiversum,” sagde Peiris.
I 2012 gik Peiris og Johnson sammen med Anthony Aguirre og Max Wainwright – begge fysikere ved University of California, Santa Cruz – til at opbygge et simuleret multivers med kun to bobler. De studerede, hvad der skete, efter at boblerne kolliderede for at bestemme, hvad en observatør ville se. Holdet konkluderede, at en kollision mellem to bobleunivers ville fremstå som en disk på CMB med en karakteristisk temperaturprofil.
En gammel kollision med et bobleunivers ville have ændret temperaturen på den kosmiske mikrobølgebaggrund (til venstre) og skabt en svag disk på himlen (til højre), der potentielt kunne observeres.
Olena Shmahalo / Quanta Magasin; kilde: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
For at beskytte mod menneskelige fejl – vi har tendens til at se de mønstre, vi vil se – de udtænkte et sæt algoritmer til automatisk søg efter disse diske i data fra Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), et rumbaseret observatorium. Programmet identificerede fire potentielle regioner med temperatursvingninger, der var i overensstemmelse med, hvad der kunne være en signatur for en boblekollision. Når data fra Planck-satellitten bliver tilgængelige senere på året, skal forskere kunne forbedre den tidligere analyse.
Alligevel er det vanskeligt at opdage overbevisende signaturer for multiverset. Simpelthen at vide, hvordan et møde kan se ud, kræver en grundig forståelse af dynamikken i boblekollisioner – noget ret vanskeligt at modellere på en computer i betragtning af kompleksiteten af sådanne interaktioner.
Når fysikere tackler et nyt problem, typisk finde en god model, som de allerede forstår, og tilpasse den ved at foretage mindre justeringer, de kalder “forstyrrelser.” For at modellere en satellits bane i rummet kan en fysiker muligvis bruge de klassiske bevægelseslove, der er skitseret af Isaac Newton i det 17. århundrede og derefter foretage små forbedringer ved at beregne virkningerne af andre faktorer, der kan påvirke dens bevægelse, såsom tryk fra solvinden. For enkle systemer skal der kun være små uoverensstemmelser fra den uforstyrrede model. Prøv imidlertid at beregne luftstrømningsmønstre for et komplekst system som en tornado, og disse tilnærmelser brydes sammen. Forstyrrelser indfører pludselige, meget store ændringer i det originale system i stedet for mindre, forudsigelige forbedringer.
Modellering af boblekollisioner under inflationsperioden i det tidlige univers er lig med modellering af en tornado. I sin natur strækker inflationen rumtid med en eksponentiel hastighed – netop den slags store spring i værdier, der gør beregningen af dynamikken så udfordrende.
“Forestil dig, at du starter med et gitter, men inden for et øjeblikkeligt har nettet udvidet til en massiv størrelse, ”sagde Peiris. Med sine samarbejdspartnere har hun brugt teknikker som adaptiv maskeringsforfining – en iterativ proces med at vinde de mest relevante detaljer i et sådant gitter i stadig finere skalaer – i hendes simulationer af inflation for at håndtere kompleksiteten. Eugene Lim , en fysiker ved Kings College London, har fundet ud af, at en usædvanlig type vandrende bølge kan hjælpe med at forenkle forholdene yderligere.
Svar
Alt udvides – og så er dette et naturligt spørgsmål at stille. Hvordan kan alt ekspandere væk fra alle andre ting og alligevel kollidere?
En del af skylden for denne forvirring ligger i de slags diagrammer og sprog, vi bruger til at demonstrere universets udvidelse. Hvis jeg siger “rummet mellem hver galakse udvides, så hver galakse ser ud til at glide væk fra enhver anden galakse”, er det en god måde at få dig til at forestille dig en udvidelse af rummet. Det betyder også, at jeg ignorerer alt andet, der foregår, der kan komplicere situationen, for at gøre idéen om udvidelse af rummet så klar som muligt.
I dette tilfælde er det, der komplicerer situationen, vores gamle ven tyngdekraft. Hvis hver galakse i universet var jævnt fordelt – for eksempel hvis de alle var lagt ud som om de var punkter på et gitter – så er den enkle beskrivelse også en nøjagtig. Der ville ikke være noget andet foregik. Hver galakse ville fortsætte med at udvikle sig i total isolation og langsomt glide længere væk fra noget andet.
Numerisk simulering af densiteten af betyder noget, da universet var 4,7 milliarder år gammelt. Galaksedannelse følger gravitationsbrøndene produceret af mørkt stof, hvor brintgas smelter sammen, og de første stjerner antænder. Billedkredit: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Sådan ser vores univers ikke ud.Vores univers ser meget mere spindelvæv ud end gitterlignende med store knuder af galakser og små filamenter af galakser, der strækker sig væk fra hver knude. De store knuder er galaksehobe og kan rumme tusinder af galakser. Deres mindre modstykker, galaksegrupper, har et par galakser i sig. Vores egen galakse er i en lille gruppe med Andromeda og en flok meget små dværggalakser.
Disse klynger og grupper er, hvad der sker, når galakser dannes tæt nok på hinanden til, at tyngdekraften kan trække dem sammen. Hvis en galakse er tæt nok på en anden galakse og ikke bevæger sig for hurtigt, vil tyngdekraften forhindre dem i nogensinde at adskille sig igen. Disse galakser kan bruge mange milliarder år på at falde mod hinanden og vil generelt savne hinanden ved det første forsøg på kollision, så vil bruge mange flere milliarder år på at falde sammen igen et sekund og derefter måske et tredje forsøg. Vores galakse og Andromeda er i det første sammenfaldsfase, hvilket sandsynligvis vil tage omkring 3 milliarder år, før det er svært at løsrive vores to galakser.
Dette system består af et par galakser, kaldet NGC 3690 (eller Arp 299), som kom tæt på for omkring 700 millioner år siden. Som et resultat af denne interaktion gennemgik systemet en voldsom udbrud af stjernedannelse. I de sidste femten år er der kommet seks supernovaer ud i den ydre del af galaksen, hvilket gør dette system til en fremtrædende supernovafabrik. Kredit: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration og A. Evans (University of Virginia, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Grundlæggende er det faktum, at vi se galakse kollisioner kommer ned på to ting; galakser dannedes ikke på et gitter, og ekspansionskraften i vores univers er mindre stærk end tyngdekraften for galakser, der er tæt på hinanden. Hvis ekspansionskraften var meget, meget stærkere end den er, ville selv tyngdekraften måske ikke være i stand til at trække galakser sammen, og hver galakse ville virkelig være et øunivers, isoleret til alle tider. Heldigvis for os hersker tyngdekraften stadig højeste, så længe forholdene er rigtige.