Beste antwoord
Multiverse botsingen kunnen de lucht bepalen
In het begin van de kosmische geschiedenis is ons universum misschien tegen een ander aan gestoten – een oerbotsing die sporen had kunnen achterlaten in het nagloeien van de oerknal.
Natuurkundigen zoeken naar bewijs van een oude botsing met een ander universum.
Net als veel van haar collegas, Hiranya Peiris , een kosmoloog aan het University College London, verwierp eens grotendeels het idee dat ons universum slechts een van de vele is in een enorm multiversum . Het was wetenschappelijk intrigerend, dacht ze, maar ook fundamenteel oncontroleerbaar. Ze gaf er de voorkeur aan haar onderzoek te concentreren op meer concrete vragen, zoals hoe sterrenstelsels evolueren.
Op een zomer in het Aspen Center for Physics merkte Peiris dat ze aan het praten was met het Matt Johnson , die zijn interesse vermeldde in het ontwikkelen van tools om het idee te bestuderen. Hij stelde voor om samen te werken.
In het begin was Peiris sceptisch. “Ik denk als waarnemer dat elke theorie, hoe interessant en elegant ook, ernstig ontbreekt als ze geen toetsbare consequenties heeft,” zei ze. Maar Johnson overtuigde haar ervan dat er misschien een manier was om het concept te testen. Als het universum dat we bewonen lang geleden in botsing was gekomen met een ander universum, zou de crash een afdruk hebben achtergelaten op de kosmische microgolfachtergrond (CMB), de zwakke nagloed van de oerknal. En als natuurkundigen zon handtekening zouden kunnen detecteren, zou dat een venster bieden op het multiversum.
Erick Weinberg , een natuurkundige aan de Columbia University, verklaart dit multiversum door het te vergelijken met een kokende ketel, waarbij de bellen individuele universums voorstellen – geïsoleerde holtes van ruimte-tijd. Terwijl de pan kookt, zetten de bellen uit en botsen ze soms. Een soortgelijk proces kan zich hebben voorgedaan in de eerste momenten van de kosmos.
In de jaren sinds hun eerste ontmoeting hebben Peiris en Johnson bestudeerd hoe een botsing met een ander universum in de vroegste momenten iets zou hebben gestuurd. vergelijkbaar met een schokgolf door ons universum. Ze denken dat ze het bewijs van een dergelijke botsing kunnen vinden in gegevens van de Planck-ruimtetelescoop, die de CMB in kaart brengt.
Het project werkt misschien niet, geeft Peiris toe. Het vereist niet alleen dat we in een multiversum leven, maar ook dat ons universum in botsing kwam met een ander in onze oer kosmische geschiedenis. Maar als natuurkundigen slagen, zullen ze het eerste onwaarschijnlijke bewijs hebben van een kosmos buiten de onze .
When Bubbles Collide
Multiverse-theorieën werden ooit gedegradeerd tot sciencefiction of bizar territorium. “Het klinkt alsof je naar een gek land bent gegaan”, zei Johnson, die gezamenlijke afspraken heeft bij het Perimeter Institute of Theorhetic Physics en de York University. Maar wetenschappers hebben vele versies bedacht van wat een multiversum zou kunnen zijn, sommige minder gek dan andere.
Het multiversum waarin Peiris en haar collegas geïnteresseerd zijn, is niet de controversiële vele werelden-hypothese die de eerste was voorgesteld in de jaren 1950 en stelt dat elke kwantumgebeurtenis een afzonderlijk universum voortbrengt. Evenmin is dit concept van een multiversum gerelateerd aan de populaire sciencefiction-trope van parallelle werelden, nieuwe universums die uit onze ruimte-tijd afknijpen en afzonderlijke rijken worden. Deze versie ontstaat eerder als een gevolg van inflatie, een algemeen aanvaarde theorie van de eerste momenten van het universum.
Inflatie stelt dat ons universum een moment na de oerknal een plotselinge uitbarsting van snelle expansie heeft meegemaakt, toen het een oneindig klein stipje tot één dat een kwart miljard lichtjaar overspant in slechts fracties van een seconde.
Toch heeft de inflatie, eenmaal begonnen, de neiging nooit helemaal te stoppen. Volgens de theorie, als het universum eenmaal begint uit te breiden, zal het op sommige plaatsen eindigen en gebieden creëren zoals het universum dat we tegenwoordig overal om ons heen zien. Maar elders zal inflatie gewoon eeuwig doorgaan in de toekomst.
Deze eigenschap heeft kosmologen ertoe gebracht om een scenario te overwegen dat eeuwige inflatie wordt genoemd. Op deze foto stoppen individuele gebieden van de ruimte met opblazen en worden ze “bellen-universums” zoals die waarin we leven. Maar op grotere schaal gaat de exponentiële expansie voor altijd door en worden voortdurend nieuwe bellen-universums gecreëerd. Elke bubbel wordt op zichzelf beschouwd als een universum, ondanks dat ze deel uitmaken van dezelfde ruimte-tijd, omdat een waarnemer niet van de ene naar de andere bubbel kon reizen zonder sneller te bewegen dan de snelheid van het licht. En elke bubbel kan zijn eigen verschillende natuurkundige wetten hebben. “Als je eeuwige inflatie koopt, voorspelt dat een multiversum”, zei Peiris.
In 2012 werkten Peiris en Johnson samen met Anthony Aguirre en Max Wainwright – beide natuurkundigen aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz – om een gesimuleerd multiversum te bouwen met slechts twee bubbels. Ze bestudeerden wat er gebeurde nadat de bellen waren gebotst om te bepalen wat een waarnemer zou zien. Het team concludeerde dat een botsing van twee bubbeluniversums voor ons zou verschijnen als een schijf op de CMB met een onderscheidend temperatuurprofiel.
Een oude botsing met een bubbeluniversum zou de temperatuur van de kosmische microgolfachtergrond hebben veranderd (links), waardoor een zwakke schijf in de lucht (rechts) is ontstaan die mogelijk kan worden waargenomen.
Olena Shmahalo / Quanta Tijdschrift; bron: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Ter bescherming tegen menselijke fouten – we zien de patronen die we willen zien – bedachten ze een set algoritmen om automatisch zoek naar deze schijven in gegevens van de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), een observatorium in de ruimte. Het programma identificeerde vier potentiële regios met temperatuurschommelingen die overeenkomen met wat een kenmerk zou kunnen zijn van een botsing van bellen. Als later dit jaar gegevens van de Planck-satelliet beschikbaar komen, zouden onderzoekers die eerdere analyse moeten kunnen verbeteren.
Toch is het lastig om overtuigende handtekeningen van het multiversum te detecteren. Gewoon weten hoe een ontmoeting eruit zou kunnen zien, vereist een grondig begrip van de dynamiek van bellenbotsingen – iets wat vrij moeilijk te modelleren is op een computer, gezien de complexiteit van dergelijke interacties.
Bij het aanpakken van een nieuw probleem, typisch natuurkundigen zoek een goed model dat ze al begrijpen en pas het aan door kleine aanpassingen aan te brengen die ze verstoringen noemen. Om bijvoorbeeld het traject van een satelliet in de ruimte te modelleren, zou een natuurkundige de klassieke bewegingswetten die in de 17e eeuw door Isaac Newton zijn geschetst, kunnen gebruiken en vervolgens kleine verfijningen kunnen aanbrengen door de effecten te berekenen van andere factoren die de beweging ervan kunnen beïnvloeden, zoals druk van de zonnewind. Voor eenvoudige systemen zouden er slechts kleine afwijkingen moeten zijn van het onverstoorde model. Probeer echter de luchtstroompatronen van een complex systeem als een tornado te berekenen, en die benaderingen gaan kapot. Verstoringen introduceren plotselinge, zeer grote veranderingen in het oorspronkelijke systeem in plaats van kleinere, voorspelbare verfijningen.
Het modelleren van bellenbotsingen tijdens de inflatoire periode van het vroege universum is vergelijkbaar met het modelleren van een tornado. Door zijn aard strekt inflatie zich exponentieel uit in ruimte-tijd – precies het soort grote sprongen in waarden dat het berekenen van de dynamiek zo uitdagend maakt.
“Stel je voor dat je begint met een raster, maar binnen een onmiddellijk is het raster enorm uitgebreid, ”zei Peiris. Samen met haar medewerkers heeft ze technieken zoals adaptieve mesh-verfijning gebruikt – een iteratief proces van het op steeds fijnere schaal verwijderen van de meest relevante details in zon grid – in haar simulaties van inflatie om met de complexiteit om te gaan. Eugene Lim , een natuurkundige aan Kings College London, heeft ontdekt dat een ongebruikelijk type reizende golf de zaken nog eenvoudiger zou kunnen maken.
Antwoord
Alles breidt zich uit – en dat is ook zo een natuurlijke vraag om te stellen. Hoe kan alles zich uitbreiden, weg van elk ander ding, en toch botsen?
Een deel van de schuld voor deze verwarring ligt bij het soort diagrammen en de taal die we gebruiken om de expansie van het universum te demonstreren. Als ik zeg: “de ruimte tussen elk sterrenstelsel breidt zich uit, zodat elk sterrenstelsel lijkt weg te drijven van elk ander sterrenstelsel”, dan is dat een goede manier om je een uitbreiding van de ruimte voor te stellen. Het betekent ook dat ik al het andere negeer dat de situatie kan compliceren, om het idee van de ruimte zo duidelijk mogelijk te maken.
Wat in dit geval de situatie compliceert, is onze oude vriend zwaartekracht. Als elk sterrenstelsel in het universum gelijkmatig verdeeld zou zijn – bijvoorbeeld als ze allemaal waren ingedeeld alsof ze punten op een raster waren – dan is de eenvoudige beschrijving ook nauwkeurig. Er is geen iets anders aan de hand. Elk melkwegstelsel zou zich volledig geïsoleerd blijven ontwikkelen en langzaam verder wegdrijven van al het andere.
Numerieke simulatie van de dichtheid van materie toen het universum 4,7 miljard jaar oud was. De vorming van melkwegstelsels volgt de gravitatiebronnen die door donkere materie worden geproduceerd, waar waterstofgas samenvloeit en de eerste sterren ontbranden. Afbeelding tegoed: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Zo ziet ons universum er niet uit.Ons universum ziet er veel meer spinnewebachtig dan rasterachtig uit, met grote knopen van melkwegstelsels en kleine filamenten van melkwegstelsels die zich vanaf elke knoop uitstrekken. De grote knopen zijn clusters van sterrenstelsels en kunnen duizenden sterrenstelsels bevatten. Hun kleinere tegenhangers, melkwegstelsels, hebben een paar melkwegstelsels in zich. Ons eigen sterrenstelsel bevindt zich in een kleine groep, met Andromeda, en een stel zeer kleine dwergstelsels.
Deze clusters en groepen zijn wat er gebeurt wanneer sterrenstelsels zo dicht bij elkaar komen dat de zwaartekracht ze samen kan trekken. Als een melkwegstelsel dicht genoeg bij een ander melkwegstelsel is, en niet te snel beweegt, zal de zwaartekracht voorkomen dat ze ooit weer echt uit elkaar gaan. Deze sterrenstelsels kunnen vele miljarden jaren naar elkaar toe vallen, en zullen elkaar over het algemeen missen bij de eerste poging tot botsing, dus zullen ze nog vele miljarden jaren besteden aan het samenvallen voor een tweede, en dan misschien een derde poging. Ons sterrenstelsel en Andromeda bevinden zich in de eerste fase van samenvallen, wat waarschijnlijk nog ongeveer 3 miljard jaar zal duren voordat het moeilijk is om onze twee sterrenstelsels te ontwarren.
Dit systeem bestaat uit een paar sterrenstelsels, NGC 3690 (of Arp 299) genaamd, die zon 700 miljoen jaar geleden een korte passage maakten. Als resultaat van deze interactie onderging het systeem een hevige uitbarsting van stervorming. In de afgelopen vijftien jaar zijn er zes supernovae verschenen in de buitenste regionen van de melkweg, waardoor dit systeem een voorname supernovafabriek is. Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration, en A. Evans (University of Virginia, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Fundamenteel, het feit dat we Zie botsingen tussen sterrenstelsels komt neer op twee dingen; melkwegstelsels zijn niet gevormd op een raster, en de kracht van uitdijing van ons universum is minder sterk dan de zwaartekracht voor melkwegstelsels die dicht bij elkaar zijn. Als de expansiekracht veel, veel sterker zou zijn dan hij is, dan zou zelfs de zwaartekracht misschien niet in staat zijn om sterrenstelsels samen te trekken, en zou elke melkweg echt een eilanduniversum zijn, voor altijd geïsoleerd. Gelukkig voor ons heerst de zwaartekracht nog steeds zolang de omstandigheden goed zijn.