Paras vastaus
Multiversiotörmäykset saattavat havaita taivaan
Kosmisen historian alkuvaiheessa universumimme on saattanut törmätä toiseen – alkukohtaiseen yhteenottoon, joka olisi voinut jättää jälkiä Ison räjähdyksen jälkivaloon.
Fyysikot etsivät todisteita muinaisesta törmäyksestä toisen maailmankaikkeuden kanssa.
Kuten monet hänen kollegansa, Hiranya Peiris hylkäsi kerran suurelta osin käsityksen, että maailmankaikkeumme saattaa olla vain yksi monista laajasta universumista . Se oli tieteellisesti kiehtovaa, hän ajatteli, mutta myös pohjimmiltaan testattavaa. Hän halusi keskittää tutkimuksensa konkreettisempiin kysymyksiin, kuten galaksien kehitykseen.
Sitten eräänä kesänä Fysiikan Aspen-keskuksessa Peiris huomasi keskustelevansa Perimeter-instituutin Matt Johnson , joka mainitsi kiinnostuksensa kehittää työkaluja idean tutkimiseen. Hän ehdotti heidän tekevän yhteistyötä.
Aluksi Peiris oli skeptinen. ”Katson tarkkailijana, että kaikesta teoriasta, riippumatta mielenkiintoisesta ja tyylikkäästä, puuttuu vakavasti, ellei sillä ole testattavia seurauksia”, hän sanoi. Mutta Johnson vakuutti hänet, että käsite voi olla tapa testata. Jos asuttu maailmankaikkeus olisi jo kauan sitten törmännyt toiseen maailmankaikkeuteen, kaatuminen olisi jättänyt jäljen kosmiseen mikroaaltotaustaan (CMB), heikko jälkivalo alkuräjähdys. Ja jos fyysikot voisivat havaita tällaisen allekirjoituksen, se antaisi ikkunan multiversumiin.
Erick Weinberg , Columbian yliopiston fyysikko, selittää tämän multiversumin vertaamalla sitä kiehuvaan kattilaan, jossa kuplat edustavat yksittäisiä maailmankaikkeuksia – eristettyjä aika-ajan taskuja. Kun potti kiehuu, kuplat laajenevat ja törmäävät toisinaan. Samanlainen prosessi on saattanut tapahtua kosmoksen ensimmäisinä hetkinä.
Ensimmäisen tapaamisen jälkeisinä vuosina Peiris ja Johnson ovat tutkineet, miten törmäys toisen maailmankaikkeuden kanssa aikaisin aikoina olisi lähettänyt jotain samanlainen kuin iskuaalto maailmankaikkeudessamme. He luulevat voivansa löytää todisteita tällaisesta törmäyksestä Planckin avaruusteleskoopista, joka kartoittaa CMB: n.
Projekti ei ehkä toimi, Peiris myöntää. Se vaatii paitsi sitä, että elämme multiversumissa, myös sitä, että universumimme törmäsi toiseen alkuperäisessä kosmisessa historiassa. Mutta jos fyysikot menestyvät, heillä on ensimmäiset epätodennäköiset todisteet omasta ulospäin tulevasta kosmoksesta .
Kun kuplat törmäävät
Monimuotoiset teoriat siirrettiin kerran tieteiskirjallisuuteen tai crackpot-alueeseen. ”Kuulostaa siltä, että olisit mennyt hullulle maalle”, sanoi Johnson, joka pitää yhteisiä nimityksiä Perimeter-teoreettisen fysiikan instituutissa ja Yorkin yliopistossa. Mutta tutkijat ovat keksineet monia versioita siitä, mikä multiversumi voi olla, jotkut vähemmän hulluja kuin toiset.
Peirisin ja hänen kollegoidensa kiinnostama multiversumi ei ole kiistanalainen ”monien maailmojen” hypoteesi, joka oli ensimmäinen ehdotettiin 1950-luvulla, ja väittää, että jokainen kvanttitapahtuma synnyttää erillisen maailmankaikkeuden. Tämä multiversumin käsite ei myöskään liity rinnakkaisten maailmojen suosittuun tieteiskirjallisuuteen, uusiin universumeihin, jotka puristuvat avaruusajastamme ja muuttuvat erillisiksi maailmoiksi. Pikemminkin tämä versio syntyy inflaation seurauksena, joka on yleisesti hyväksytty teoria maailmankaikkeuden ensimmäisistä hetkistä.
Inflaation mukaan universumimme koki äkillisen nopean laajenemisen heti Ison räjähdyksen jälkeen, joka räjähti. äärettömän pieni pilkku yhteen, joka ulottuu neljännesmiljardiin valovuoteen vain sekunnin murto-osina.
Inflaatio, kun se on kuitenkin alkanut, ei yleensä koskaan lopu kokonaan. Teorian mukaan, kun maailmankaikkeus alkaa laajentua, se päättyy joissakin paikoissa ja luo sellaisia alueita kuin maailmankaikkeus, jonka näemme tänään ympärillämme. Mutta muualla inflaatio jatkuu vain ikuisesti tulevaisuuteen.
Tämä ominaisuus on saanut kosmologit ajattelemaan skenaariota nimeltä ikuinen inflaatio. Tässä kuvassa yksittäiset avaruusalueet lakkaavat täyttymästä ja niistä tulee ”kuplanuniversumeja”, kuten elämme. Suuremmissa mittakaavoissa eksponentiaalinen laajentuminen jatkuu ikuisesti, ja uusia kuplanuniversumeita luodaan jatkuvasti. Jokaista kuplaa pidetään itsenäisenä universumina huolimatta siitä, että se on osa samaa aika-aikaa, koska tarkkailija ei voinut kulkea kuplasta toiseen siirtymättä nopeammin kuin valon nopeus. Ja jokaisella kuplalla voi olla omat erilliset fysiikan lait. ”Jos ostat ikuisen inflaation, se ennustaa multiversiota”, Peiris sanoi.
Vuonna 2012 Peiris ja Johnson tekivät yhteistyötä Anthony Aguirren ja Max Wainwrightin kanssa – molemmat Kalifornian yliopiston fyysikot Santa Cruzista – rakentamaan simuloitu multiversumi, jossa on vain kaksi kuplaa. He tutkivat mitä tapahtui kuplien törmäämisen jälkeen selvittääkseen mitä tarkkailija näkisi. Tiimi päätteli, että kahden kuplan universumin törmäys näyttäisi meille CMB: n levyksi, jolla on erottuva lämpötilaprofiili.
Muinainen törmäys kuplan maailmankaikkeuteen olisi muuttanut kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilaa (vasemmalla) ja luonut taivaalle heikon levyn (oikealla), jota voitaisiin havaita.
Olena Shmahalo / Quanta Aikakauslehti; lähde: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Inhimillisten virheiden varalta – meillä on tapana nähdä haluamamme mallit – he suunnittelivat joukon algoritmeja automaattisesti etsi näitä levyjä Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -tietotiedeistä, avaruuspohjaisesta observatoriosta. Ohjelma tunnisti neljä potentiaalista aluetta lämpötilavaihteluilla, jotka sopivat yhteen kuplan törmäyksestä. Kun Planck-satelliitin tiedot tulevat saataville myöhemmin tänä vuonna, tutkijoiden pitäisi pystyä parantamaan aikaisempaa analyysiä.
Silti monen universumin vakuuttavien allekirjoitusten havaitseminen on hankalaa. Pelkkä tieto siitä, miltä kohtaaminen voi näyttää, vaatii perusteellisen ymmärryksen kuplan törmäysten dynamiikasta – mikä on melko vaikeaa mallintaa tietokoneella, kun otetaan huomioon tällaisten vuorovaikutusten monimutkaisuus.
Uutta ongelmaa käsitellessään fyysikot yleensä löytää hyvä malli, jonka he jo ymmärtävät, ja mukauttaa sitä tekemällä pieniä muutoksia, joita he kutsuvat ”häiriöiksi”. Esimerkiksi satelliitin liikeradan mallinnamiseksi avaruudessa fyysikko saattaa käyttää Isaac Newtonin 1600-luvulla hahmottamia klassisia liikelakeja ja tehdä sitten pieniä tarkennuksia laskemalla muiden tekijöiden vaikutukset, jotka voivat vaikuttaa sen liikkumiseen, kuten aurinkotuulen paine. Yksinkertaisissa järjestelmissä häiriöiden häiritsemättömästä mallista saa olla vain pieniä eroja. Yritä kuitenkin laskea monimutkaisen järjestelmän, kuten tornado, ilmavirtauskuviot, ja nämä likiarvot hajoavat. Esikaupungit aiheuttavat äkillisiä, erittäin suuria muutoksia alkuperäiseen järjestelmään pienempien, ennakoitavien tarkennusten sijaan.
Kuplan törmäysten mallintaminen varhaisen maailmankaikkeuden inflaatiokaudella on samanlainen kuin tornadon mallinnus. Luonteensa vuoksi inflaatio venyttää aika-aikaa eksponentiaalisella nopeudella – juuri sellaiset suuret arvon hyppyjä, jotka tekevät dynamiikan laskemisesta niin haastavan.
”Kuvittele, että aloitat ruudukolla, mutta heti, verkko on laajentunut valtavaan kokoon ”, Peiris sanoi. Yhteistyökumppaneidensa kanssa hän on käyttänyt inflaatiosimulaatioissaan monimutkaisuuden kaltaisia tekniikoita, kuten adaptiivista silmänpuhdistusta – iteratiivista prosessia olennaisimpien yksityiskohtien voittamiseksi tällaisessa ristikossa yhä hienommassa mittakaavassa. Eugene Lim , Kings College Londonin fyysikko, on havainnut, että epätavallinen matkustusaaltotyyppi voi auttaa yksinkertaistamaan asioita entisestään.
Vastaus
Kaikki laajenee – ja näin on luonnollinen kysymys. Kuinka kaikki voi laajentua pois kaikesta muusta ja silti törmätä?
Osa tästä sekaannuksesta syytetään erilaisista kaavioista ja kielestä, jota käytämme osoittamaan maailmankaikkeuden laajentumista. Jos sanon ”jokaisen galaksin välinen tila laajenee niin, että jokainen galaksi näyttää ajautuvan pois kaikista muista galakseista”, se on hyvä tapa saada sinut kuvittelemaan avaruuden laajenemista. Se tarkoittaa myös sitä, että jätän huomiotta kaiken muun meneillään olevan tilanteen, joka saattaa vaikeuttaa tilannetta, jotta avaruusidean laajentaminen olisi mahdollisimman selvää.
Tässä tapauksessa tilannetta vaikeuttaa vanha ystävä painovoima. Jos kaikki maailmankaikkeuden galaksit olisivat tasaisesti toisistaan - esimerkiksi jos ne kaikki asetettaisiin ikään kuin ne olisivat ruudukon pisteitä, niin yksinkertainen kuvaus on myös tarkka. ei olisi mitään muuta . Kukin galaksi jatkaisi kehittymistä täydellisessä eristyksessä, ajautumalla hitaasti kauemmaksi kaikesta muusta.
Numeerinen simulaatio maailmankaikkeuden ollessa 4,7 miljardia vuotta vanha. Galaksin muodostuminen seuraa pimeän aineen tuottamia gravitaatiokaivoja, joissa vetykaasu yhdistyy ja ensimmäiset tähdet syttyvät. Kuvahyvitys: V. Springel et ai. 2005, Nature, 435, 629
Maailmamme ei näytä tältä.Maailmankaikkeumme näyttää paljon enemmän hämähäkinverkolta kuin ruudukolta, suurilla galaksisolmuilla ja pienillä galaksisäikeillä, jotka ulottuvat jokaisesta solmusta. Suuret solmut ovat galaksiryhmää, ja niihin mahtuu tuhansia galakseja. Heidän pienemmissä kollegoissaan, galaksiryhmissä, on muutama galaksi. Oma galaksimme on pienessä ryhmässä, Andromedan ja joukon hyvin pieniä kääpiögalakseja.
Näitä klustereita ja ryhmiä tapahtuu, kun galaksit muodostuvat riittävän lähellä toisiaan niin, että painovoima voi vetää ne yhteen. Jos galaksi on tarpeeksi lähellä toista galaksia eikä liiku liian nopeasti, painovoima estää niitä koskaan enää todella eroittumasta. Nämä galaksit saattavat viettää useita miljardeja vuosia putoamalla toisiaan kohti ja yleensä kaipaavat toisiaan ensimmäisessä törmäysyrityksessä, joten viettävät vielä useita miljardeja vuosia pudotessaan yhteen sekunniksi ja sitten ehkä kolmanneksi yritykseksi. Galaksimme ja Andromeda ovat ensimmäisessä pudotuksen yhdessä vaiheessa, joka vie todennäköisesti vielä noin 3 miljardia vuotta enemmän, ennen kuin on vaikea irrottaa kahta galaksiamme.
Tämä järjestelmä koostuu galaksiparista, nimeltään NGC 3690 (tai Arp 299), jotka tekivät läheisen ohituksen noin 700 miljoonaa vuotta sitten. Tämän vuorovaikutuksen seurauksena järjestelmälle tehtiin raju tähtien muodostuminen. Noin viimeisen viidentoista vuoden aikana kuusi supernovaa on pudonnut galaksin ulommalle alueelle, mikä tekee tästä järjestelmästä erinomaisen supernovatehtaan. Luotto: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration ja A. Evans (Virginian yliopisto, Charlottesville / NRAO / Stony Brookin yliopisto)
Pohjimmiltaan tosiasia, että katso galaksin törmäykset johtuvat kahdesta asiasta; galakseja ei muodostunut ristikkoon, ja maailmankaikkeutemme laajenemisvoima on vähemmän voimakas kuin lähellä olevien galaksien painovoima. Jos laajenemisvoima olisi paljon, paljon vahvempi kuin se on, edes painovoima ei ehkä kykene vetämään galakseja yhteen, ja jokainen galaksi olisi todella saaren universumi, joka on eristetty koko ajan. Meidän onneksi painovoima hallitsee edelleen korkeinta niin kauan kuin olosuhteet ovat hyvät.