Beste svaret
Multiverse Collisions May Dot the Sky
Tidlig i den kosmiske historien kan vårt univers ha kommet borti en annen – et urinnstrid som kunne ha satt spor i Big Bangs etterglød.
Fysikere søker etter bevis på en eldgammel kollisjon med et annet univers.
Som mange av hennes kolleger, Hiranya Peiris , en kosmolog ved University College London, avviste en gang i stor grad forestillingen om at vårt univers kanskje bare var ett av mange i et stort multivers . Det var vitenskapelig spennende, tenkte hun, men også fundamentalt utestabelt. Hun foretrakk å fokusere forskningen på mer konkrete spørsmål, som hvordan galakser utvikler seg.
Så en sommer på Aspen Center for Physics, fant Peiris seg å prate med Perimeter Institutes Matt Johnson , som nevnte sin interesse for å utvikle verktøy for å studere ideen. Han foreslo at de skulle samarbeide.
Først var Peiris skeptisk. «Jeg tror som observatør at enhver teori, uansett hvor interessant og elegant, mangler alvorlig hvis den ikke har testbare konsekvenser,» sa hun. Men Johnson overbeviste henne om at det kan være en måte å teste konseptet på. Hvis universet som vi bor for lenge siden hadde kollidert med et annet univers, ville krasjet etterlatt et avtrykk på den kosmiske mikrobølgeovnens bakgrunn (CMB), den svake etterglødningen fra det store smellet. Og hvis fysikere kunne oppdage en slik signatur, ville det gi et vindu inn i multiverset.
Erick Weinberg , en fysiker ved Columbia University, forklarer dette multiverset ved å sammenligne det med en kokende gryte, med boblene som representerer individuelle universer – isolerte lommer med romtid. Når gryten koker, ekspanderer boblene og kolliderer noen ganger. En lignende prosess kan ha skjedd i de første øyeblikkene av kosmos.
I årene siden deres første møte, har Peiris og Johnson studert hvordan en kollisjon med et annet univers i de tidligste øyeblikkene ville ha sendt noe ligner på en sjokkbølge over universet vårt. De tror de kan være i stand til å finne bevis på en slik kollisjon i data fra Planck-romteleskopet, som kartlegger CMB.
Prosjektet fungerer kanskje ikke, innrømmer Peiris. Det krever ikke bare at vi lever i et multivers, men også at vårt univers kolliderte med et annet i vår primære kosmiske historie. Men hvis fysikere lykkes, vil de ha det første usannsynlige beviset for et kosmos utover vårt eget .
Når bobler kolliderer
Multiverse teorier ble en gang henvist til science fiction eller crackpot territorium. «Det høres ut som om du har dratt til et gal land,» sa Johnson, som har felles avtaler ved Perimeter Institute of Theoretical Physics og York University. Men forskere har kommet med mange versjoner av hva et multiversum kan være, noen mindre sprø enn andre.
Multiverset som Peiris og hennes kolleger er interessert i, er ikke den kontroversielle hypotesen om «mange verdener» som var den første foreslått på 1950-tallet og hevder at hver kvantebegivenhet gir et eget univers. Heller ikke dette konseptet med et multivers er relatert til den populære science-fiction tropen av parallelle verdener, nye universer som klemmer seg fra vår romtid og blir separate riker. Snarere oppstår denne versjonen som en konsekvens av inflasjon, en allment akseptert teori om universets første øyeblikk. en uendelig liten flekk til en som spenner over en kvart milliard lysår i bare brøkdeler av et sekund.
Likevel har inflasjon en gang en tendens til å aldri stoppe helt. I følge teorien, når universet begynner å utvide seg, vil det ende noen steder og skape regioner som universet vi ser rundt oss i dag. Men andre steder vil inflasjon ganske enkelt fortsette evig inn i fremtiden.
Denne funksjonen har fått kosmologer til å tenke på et scenario som kalles evig inflasjon. I dette bildet slutter enkelte regioner i rommet å blåse opp og blir til «bobleunivers» som den vi lever i. Men i større skala fortsetter eksponentiell ekspansjon for alltid, og nye bobleunivers blir kontinuerlig opprettet. Hver boble blir ansett som et univers i seg selv, til tross for at han er en del av samme romtid, fordi en observatør ikke kunne reise fra en boble til en annen uten å bevege seg raskere enn lysets hastighet. Og hver boble kan ha sine egne fysiske lover. «Hvis du kjøper evig inflasjon, forutsier det et multiversum,» sa Peiris.
I 2012 gikk Peiris og Johnson sammen med Anthony Aguirre og Max Wainwright – begge fysikere ved University of California, Santa Cruz – for å bygge et simulert multivers med bare to bobler. De studerte hva som skjedde etter at boblene kolliderte for å bestemme hva en observatør ville se. Teamet konkluderte med at en kollisjon mellom to bobleunivers ville fremstå som en disk på CMB med en særegen temperaturprofil.
En eldgammel kollisjon med et bobleunivers ville ha endret temperaturen på den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (til venstre), og skapt en svak plate på himmelen (til høyre) som potensielt kunne observeres.
Olena Shmahalo / Quanta Magasin; kilde: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
For å beskytte mot menneskelige feil – vi har en tendens til å se mønstrene vi vil se – de utviklet et sett med algoritmer for automatisk å søk etter disse diskene i data fra Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), et rombasert observatorium. Programmet identifiserte fire potensielle regioner med temperatursvingninger i samsvar med det som kan være en signatur for en boblekollisjon. Når data fra Planck-satellitten blir tilgjengelig senere i år, bør forskere kunne forbedre den tidligere analysen.
Likevel er det vanskelig å oppdage overbevisende signaturer for multiverset. Bare å vite hvordan et møte kan se ut, krever en grundig forståelse av dynamikken i boblekollisjoner – noe ganske vanskelig å modellere på en datamaskin, gitt kompleksiteten av slike interaksjoner.
Når fysikere takler et nytt problem, finne en god modell som de allerede forstår, og tilpasse den ved å gjøre mindre justeringer de kaller forstyrrelser. For eksempel, for å modellere banen til en satellitt i rommet, kan en fysiker bruke de klassiske bevegelseslovene som ble skissert av Isaac Newton i det 17. århundre, og deretter gjøre små forbedringer ved å beregne effekten av andre faktorer som kan påvirke bevegelsen, for eksempel trykk fra solvinden. For enkle systemer skal det bare være små avvik fra den uforstyrrede modellen. Prøv å beregne luftstrømningsmønstrene til et komplekst system som en tornado, og disse tilnærmingene brytes sammen. Forstyrrelser introduserer plutselige, veldig store endringer i det opprinnelige systemet i stedet for mindre, forutsigbare forbedringer.
Modellering av boblekollisjoner i løpet av inflasjonstiden i det tidlige universet ligner på modellering av en tornado. Inflasjonen strekker seg i sin natur med eksponentiell hastighet – nettopp den typen store hopp i verdier som gjør beregningen av dynamikken så utfordrende.
«Tenk deg at du starter med et rutenett, men innenfor et øyeblikkelig har nettet utvidet seg til en enorm størrelse, ”sa Peiris. Med sine samarbeidspartnere har hun brukt teknikker som adaptiv mesh-raffinement – en iterativ prosess for å vinne ut de mest relevante detaljene i et slikt rutenett i stadig finere skalaer – i simuleringene av inflasjon for å håndtere kompleksiteten. Eugene Lim , en fysiker ved Kings College i London, har funnet ut at en uvanlig type vandrende bølge kan bidra til å forenkle sakene ytterligere.
Svar
Alt utvides – og så er dette et naturlig spørsmål å stille. Hvordan kan alt utvide seg fra alle andre ting, og likevel kollidere?
En del av skylden for denne forvirringen ligger i de slags diagrammer og språk vi bruker for å demonstrere universets utvidelse. Hvis jeg sier «rommet mellom hver galakse utvides, slik at hver galakse ser ut til å glide bort fra hver annen galakse», er det en god måte å få deg til å forestille deg en utvidelse av rommet. Det betyr også at jeg ignorerer alt annet som skjer som kan komplisere situasjonen, for å gjøre utvidelsen av romideen så klar som mulig.
I dette tilfellet er det som kompliserer situasjonen vår gamle vennens tyngdekraft. Hvis hver galakse i universet var jevnt fordelt – for eksempel hvis de alle var lagt ut som om de var punkter på et rutenett – så er den enkle beskrivelsen også en nøyaktig. Det ville ikke noe annet på gang. Hver galakse ville fortsette å utvikle seg i total isolasjon og sakte flytte lenger bort fra noe annet.
Numerisk simulering av tettheten av saken når universet var 4,7 milliarder år gammelt. Galaksedannelse følger gravitasjonsbrønnene produsert av mørk materie, hvor hydrogengass smelter sammen, og de første stjernene antennes. Bildekreditt: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Dette er ikke hvordan universet vårt ser ut.Universet vårt ser mye mer spindelvev ut enn rutenett, med store knuter av galakser og små filamenter av galakser som strekker seg vekk fra hver knute. De store knutene er galaksehoper, og har plass til tusenvis av galakser. Deres mindre kolleger, galaksegrupper, har noen få galakser i seg. Vår egen galakse er i en liten gruppe med Andromeda, og en haug med veldig små dverggalakser.
Disse klyngene og gruppene er det som skjer når galakser dannes nær nok til hverandre for at tyngdekraften kan trekke dem sammen. Hvis en galakse er nær nok til en annen galakse, og ikke beveger seg for fort, vil tyngdekraften forhindre at de noen gang virkelig skilles fra hverandre. Disse galaksene kan bruke mange milliarder år på å falle mot hverandre, og vil generelt savne hverandre ved første forsøk på kollisjon, så vil bruke mange flere milliarder år på å falle sammen igjen for et sekund, og deretter kanskje et tredje forsøk. Galaksen vår og Andromeda er i den første høstfasen, noe som sannsynligvis vil ta omtrent 3 milliarder år til før det er vanskelig å løsne våre to galakser.
Dette systemet består av et par galakser, kalt NGC 3690 (eller Arp 299), som passerte nær 700 millioner år siden. Som et resultat av denne interaksjonen gjennomgikk systemet en voldsom utbrudd av stjernedannelse. I løpet av de siste femten årene har seks supernovaer spratt i de ytre delene av galaksen, noe som gjør dette systemet til en fremtredende supernovafabrikk. Kreditt: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration, og A. Evans (University of Virginia, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Fundamentalt sett det faktum at vi se galaksekollisjoner kommer ned på to ting; galakser dannet seg ikke på et rutenett, og ekspansjonskraften til vårt univers er mindre sterk enn tyngdekraften for galakser som er nær hverandre. Hvis ekspansjonskraften var mye, mye sterkere enn den er, ville kanskje ikke selv tyngdekraften kunne trekke galakser sammen, og hver galakse ville virkelig være et øyunivers, isolert for all tid. Heldigvis for oss hersker tyngdekraften fremdeles øverst så lenge forholdene er riktige.