Legjobb válasz
Multiverzális ütközések pontozhatják az eget
A kozmikus történelem korai szakaszában univerzumunk egy másikba ütközhetett – egy ősös összecsapásnak, amely nyomokat hagyhatott az Nagy Bumm utánvilágításában.
A fizikusok bizonyítékokat keresnek egy ősi ütközésről egy másik univerzummal.
Mint sok kollégája, Hiranya Peiris , a londoni University College kozmológusa egyszer nagyrészt elvetette azt a gondolatot, hogy univerzumunk csak egy lehet a sok közül a hatalmas multiverzumban . Tudományosan érdekes volt, gondolta a nő, de alapvetően nem is tesztelhető. Kutatásait inkább konkrétabb kérdésekre összpontosította, például arra, hogy hogyan fejlődnek a galaxisok.
Aztán egy nyáron az Aspen Fizikai Központban Peiris azon kapta magát, hogy a Perimeter Intézet Matt Johnson , aki megemlítette érdeklődését az ötlet tanulmányozásához szükséges eszközök kifejlesztése iránt. Javasolta, hogy működjenek együtt.
Eleinte Peiris szkeptikus volt. “Megfigyelőként azt gondolom, hogy bármilyen elmélet, bármilyen érdekes és elegáns is, komolyan hiányzik, ha ennek nincs tesztelhető következménye” – mondta. De Johnson meggyőzte arról, hogy a módszer kipróbálására lehet mód. Ha az általunk lakott világegyetem régen ütközött volna egy másik univerzummal, akkor az összeomlás nyomot hagyott volna a kozmikus mikrohullámú háttéren (CMB), a halvány utánvilágítás a nagy Bumm. És ha a fizikusok észlelni tudnának egy ilyen aláírást, az ablakot engedne a multiverzumba.
Erick Weinberg , a Columbia Egyetem fizikusa, ezt a multiverzumot egy forrásban lévő üsthöz hasonlítja, az egyes univerzumokat ábrázoló buborékokkal – a tér-idő elkülönített zsebeivel. Amint az edény forr, a buborékok kitágulnak és néha ütköznek. Hasonló folyamat történhetett a kozmosz első pillanataiban is.
Az első találkozásuk óta eltelt években Peiris és Johnson azt tanulmányozták, hogy egy másik univerzummal való ütközés az idők legkorábbi pillanataiban hogyan eredményezett volna valamit hasonló az univerzumunkon át tartó lökéshullámhoz. Úgy gondolják, hogy képesek bizonyítékot találni egy ilyen ütközésre a Planck űrtávcsőből, amely feltérképezi a CMB-t.
Lehet, hogy a projekt nem fog működni – ismeri el Peiris. Ez nemcsak azt igényli, hogy multiverzumban éljünk, hanem azt is, hogy univerzumunk összeütközött egy másikkal az ősi kozmikus történelem során. De ha a fizikusoknak sikerrel jár, akkor megvan az első valószínűtlen bizonyíték a sajátunkon kívüli kozmoszról .
Amikor a buborékok ütköznek
A multiverzum elméletek egykor a tudományos-fantasztikus vagy a crackpot területére kerültek. “Úgy hangzik, mintha őrült földre mentél volna” – mondta Johnson, aki közös kinevezéseket tart a Perimeter Elméleti Fizikai Intézetben és a York Egyetemen. De a tudósok számos változattal álltak elő, mi lehet a multiverzum, némelyik kevésbé őrült, mint más.
Az a multiverzum, amelyet Peiris és munkatársai érdekelnek, nem az a vitatott „sok világ” hipotézis volt, amely először volt javasolták az 1950-es években, és úgy véli, hogy minden kvantumesemény külön univerzumot szül. A multiverzumnak ez a koncepciója nem kapcsolódik a párhuzamos világok, az új világegyetemek népszerű tudományos-fantasztikus trópusához, amelyek elcsúsznak a tér-időnkből és külön birodalommá válnak. E változat inkább az infláció következtében jön létre, amely a világegyetem első pillanatainak széles körben elfogadott elmélete.
Az infláció úgy véli, hogy univerzumunk a Nagy Bumm után egy pillanat alatt hirtelen gyors terjeszkedést tapasztalt, felrobbantva. egy végtelenül kicsi pötty, amely a másodperc töredéke alatt negyedmilliárd fényévre terjed ki.
Az infláció azonban, miután elindult, soha nem áll le teljesen. Az elmélet szerint, ha az univerzum tágulni kezd, egyes helyeken véget ér, olyan régiókat hozva létre, mint az univerzum, amelyet ma körülöttünk látunk. De másutt az infláció egyszerűen örökké a jövőben fog tartani.
Ez a tulajdonság arra késztette a kozmológusokat, hogy az örök inflációnak nevezett forgatókönyvet fontolgassák. Ezen a képen az űr egyes régiói megállnak, és „buborék univerzumokká” válnak, mint amiben élünk. De nagyobb léptékben az exponenciális expanzió örökké folytatódik, és folyamatosan új buborékuniverzumok jönnek létre. Minden buborék önálló univerzumnak számít, annak ellenére, hogy ugyanazon téridő része, mert a megfigyelő nem tudott egyik buborékból a másikba haladni, anélkül, hogy a fénysebességnél gyorsabban haladt volna. És minden buboréknak megvannak a maga különálló fizikai törvényei. “Ha örök inflációt vásárol, az multiverzumot jósol” – mondta Peiris.
2012-ben Peiris és Johnson összefogtak Anthony Aguirre és Max Wainwright – mindkét fizikus a Kaliforniai Egyetemen, Santa Cruzban -, hogy szimulált multiverzumot építsen csak két buborékkal. Tanulmányozták, mi történt a buborékok ütközése után, hogy megállapítsák, mit lát egy megfigyelő. A csapat arra a következtetésre jutott, hogy két buborék univerzum ütközése számunkra egy olyan lemezként jelenik meg a CMB-n, amelynek megkülönböztetett hőmérsékleti profilja van.
Egy buborék univerzummal való ősi ütközés megváltoztatta a kozmikus mikrohullámú háttér hőmérsékletét (balra), és egy halvány lemezt hozott létre az égen (jobbra), amely potenciálisan megfigyelhető volt.
Olena Shmahalo / Quanta Magazin; forrás: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Az emberi tévedések elleni védelem érdekében – hajlamosak vagyunk látni azokat a mintákat, amelyeket látni akarunk – algoritmusokat állítottak össze, amelyek automatikusan keresse meg ezeket a lemezeket a Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), egy űralapú obszervatórium adataiban. A program négy potenciális régiót azonosított , amelyek hőmérséklet-ingadozásai összhangban vannak azzal, ami a buborék ütközésének aláírása lehet. Amikor a Planck műhold adatai az év végén elérhetővé válnak, a kutatóknak képesnek kell lenniük arra, hogy javítsanak ezen a korábbi elemzésen.
A multiverzum meggyőző aláírásainak felderítése azonban bonyolult. Annak puszta megismeréséhez, hogy milyen lehet egy találkozás, meg kell ismerni a buborékütközések dinamikáját – ami meglehetősen nehéz a számítógépen modellezni, tekintettel az ilyen interakciók összetettségére.
Új probléma megoldása során a fizikusok általában találj egy jó modellt, amelyet már értenek, és adaptálják azáltal, hogy apróbb változtatásokat hajtanak végre, amelyeket „zavarnak” neveznek. Például egy műhold pályájának modellezéséhez az űrben egy fizikus felhasználhatja az Isaac Newton által a 17. században felvázolt klasszikus mozgástörvényeket, majd apróbb finomításokat végezhet az olyan tényezők hatásainak kiszámításával, amelyek befolyásolhatják a mozgását, például: a napszél nyomása. Egyszerű rendszerek esetén csak kis eltérések lehetnek a zavartalan modelltől. Próbálja meg kiszámolni egy olyan összetett rendszer légáramlási mintázatát, mint egy tornádó, és ezek a közelítések lebomlanak. A perforációk a hirtelen, nagyon nagy változásokat vezetik be az eredeti rendszerben, a kisebb, kiszámítható finomítások helyett.
A buborékütközések modellezése a korai világegyetem inflációs időszakában hasonló a tornádó modellezéséhez. Jellegéből adódóan az infláció exponenciális sebességgel nyújtja ki a téridőt – pontosan olyan nagy értékű ugrások, amelyek miatt a dinamika kiszámítása olyan kihívást jelent.
„Képzelje el, hogy rácsból indul, de egy pillanatok alatt a rács hatalmas méretűvé bővült ”- mondta Peiris. Munkatársaival olyan technikákat alkalmazott, mint az adaptív háló finomítása – egy iteratív folyamat, amellyel a leglényegesebb részleteket egy ilyen rácsban nyerik ki egyre finomabb skálán – az infláció szimulációiban, hogy kezelje a komplexitást. Eugene Lim , a londoni Kings College fizikusa azt találta, hogy egy szokatlan típusú utazó hullám tovább egyszerűsítheti a helyzetet.
Válasz
Minden bővül – és ez így van természetes kérdés. Hogyan lehet minden kibővülni minden más dologtól, és mégis összeütközni?
Ennek a zűrzavarnak a felelőssége részben a különféle diagramokkal és nyelvekkel hárul, amelyeket a világegyetem tágulásának bemutatására használunk. Ha azt mondom, hogy „minden galaxis közötti tér bővül, úgy tűnik, hogy minden galaxis eltávolodik minden más galaxistól”, ez jó módszer arra, hogy elképredtesse a tér tágulását. Ez azt is jelenti, hogy figyelmen kívül hagyok minden mást, ami bonyolíthatja a helyzetet, hogy minél világosabbá tegyem az űrötlet bővítését.
Ebben az esetben a régi helyzetet bonyolítja barát gravitáció. Ha az univerzum minden galaxisa egyenletesen helyezkedik el – például ha mindannyian úgy vannak elrendezve, mintha rácspontjai lennének -, akkor az egyszerű leírás is pontos. Nem lenne semmi más. Minden galaxis teljes elszigeteltségben fejlődne tovább, lassan távolodva minden mástól.
A sűrűség numerikus szimulációja számít, amikor az univerzum 4,7 milliárd éves volt. A galaxis képződése követi a sötét anyag által létrehozott gravitációs kutakat, ahol a hidrogéngáz összefog, és az első csillagok meggyulladnak. Kép hitel: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Nem így néz ki univerzumunk.Univerzumunk sokkal inkább pókhálósnak tűnik, mint rácsszerűnek, nagy csomó galaxis és kis galaxisszálak húzódnak el minden csomótól. A nagy csomók galaxishalmazok, és galaxisok ezreit képesek befogadni. Kisebb társaikban, galaxiscsoportokban van néhány galaxis. Saját galaxisunk kis csoportba tartozik, Andromeda-val, és egy csomó nagyon kicsi törpe galaxissal.
Ezek a klaszterek és csoportok történnek, amikor a galaxisok elég közel alakulnak ki egymáshoz ahhoz, hogy a gravitáció összehúzza őket. Ha egy galaxis elég közel van egy másik galaxishoz, és nem mozog túl gyorsan, a gravitáció megakadályozza őket abban, hogy valaha újra valóban elváljanak egymástól. Ezek a galaxisok sok milliárd évet tölthetnek el egymás felé esve, és általában hiányozni fogják egymást az első ütközési kísérletnél, ezért sokkal több milliárd évet töltenek egy másodpercig, majd talán egy harmadik kísérletig. Galaxisunk és az Androméda az első őszi együttes stádiumban van, ami valószínűleg még körülbelül 3 milliárd évig fog tartani, mire nehéz leszakítani két galaxisunkat.
Ez a rendszer egy galaxispárból áll, NGC 3690 (vagy Arp 299) néven, amelyek közel 700 millió évvel ezelőtt tettek közeli passzt. Ezen interakció eredményeként a rendszer heves csillagképződést szenvedett. Az elmúlt tizenöt évben körülbelül hat szupernóva pattant ki a galaxis külső szakaszán, és ez a rendszer jeles szupernóva-gyárrá vált. Köszönetnyilvánítás: NASA, ESA, a Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration és A. Evans (Virginia Egyetem, Charlottesville / NRAO / Stony Brook Egyetem)
Alapvetően az a tény, hogy mi lásd a galaxis ütközése két dologra vezethető vissza; galaxisok nem képződtek rácson, és univerzumunk tágulási ereje kevésbé erős, mint a gravitációs erő a galaxisok közelében, amelyek egymás közelében vannak. Ha a tágulási erő sokkal, de sokkal erősebb lenne, mint amekkora, akkor a gravitáció talán nem képes összehozni a galaxisokat, és mindegyik galaxis valóban szigeti univerzum lenne, minden időre elkülönítve. Szerencsénkre a gravitáció továbbra is uralkodik, amíg a feltételek megfelelőek.