Najlepsza odpowiedź
Zderzenia multiwersów mogą pokrywać niebo
Na początku historii kosmosu nasz wszechświat mógł napotkać inny – pierwotne zderzenie, które mogło pozostawić ślady w poświacie Wielkiego Wybuchu.
Fizycy szukają dowodów na starożytne zderzenie z innym wszechświatem.
Podobnie jak wielu jej kolegów, Hiranya Peiris , kosmolog z University College London, kiedyś w dużej mierze odrzucił pogląd, że nasz wszechświat może być tylko jednym z wielu w rozległym multiwersie . Pomyślała, że jest to intrygujące z naukowego punktu widzenia, ale zasadniczo nie da się tego przetestować. Wolała skoncentrować swoje badania na bardziej konkretnych pytaniach, takich jak ewolucja galaktyk.
Pewnego lata w Aspen Center for Physics Peiris zaczęła rozmawiać z Instytutu Perimeter / div> Matt Johnson , który wspomniał o swoim zainteresowaniu tworzeniem narzędzi do badania tego pomysłu. Zaproponował im współpracę.
Na początku Peiris był sceptyczny. „Jako obserwator uważam, że brakuje jakiejkolwiek teorii, nawet jeśli jest interesująca i elegancka, jeśli nie ma ona sprawdzalnych konsekwencji” – powiedziała. Ale Johnson przekonał ją, że może istnieć sposób na przetestowanie tej koncepcji. Gdyby wszechświat, który zamieszkujemy, zderzył się dawno temu z innym wszechświatem, katastrofa pozostawiłaby odcisk na kosmicznym mikrofalowym tle (CMB), słaba poświata Big Bang. Gdyby fizycy mogli wykryć taką sygnaturę, dostarczyłaby ona wglądu do multiwersu.
Erick Weinberg , fizyk z Columbia University, wyjaśnia ten multiwers, porównując go do wrzącego kotła, w którym bąbelki reprezentują poszczególne wszechświaty – odizolowane przedziały czasoprzestrzeni. Gdy garnek się zagotuje, bąbelki rozszerzają się i czasami zderzają się. Podobny proces mógł mieć miejsce w pierwszych chwilach kosmosu.
W latach od ich pierwszego spotkania Peiris i Johnson badali, w jaki sposób zderzenie z innym wszechświatem w najwcześniejszych chwilach czasu mogło coś wysłać podobny do fali uderzeniowej w naszym wszechświecie. Myślą, że być może uda im się znaleźć dowody na taką kolizję w danych z teleskopu kosmicznego Plancka, który mapuje KMPT.
Projekt może się nie udać, przyznaje Peiris. Wymaga to nie tylko tego, że żyjemy w multiwersie, ale także zderzenia naszego wszechświata z innym w naszej pierwotnej historii kosmicznej. Ale jeśli fizykom się uda, będą mieli pierwszy nieprawdopodobny dowód na kosmos poza naszym własnym .
Kiedy zderzają się bąbelki
Teorie wieloświatowe zostały kiedyś zepchnięte na terytorium science fiction lub wariatów. „Wygląda na to, że udałeś się do szalonej krainy” – powiedział Johnson, który jest jednocześnie zatrudniony w Perimeter Institute of Theoretical Physics i York University. Ale naukowcy wymyślili wiele wersji tego, czym mógłby być multiwers, niektóre mniej szalone niż inne.
Multiwers, którym interesuje się Peiris i jej koledzy, nie jest kontrowersyjną hipotezą „wielu światów”, która była pierwsza zaproponowany w latach pięćdziesiątych XX wieku i utrzymuje, że każde zdarzenie kwantowe rodzi odrębny wszechświat. Ta koncepcja multiwersu nie jest też powiązana z popularnym, science-fiction tropem światów równoległych, nowych wszechświatów, które odrywają się od naszej czasoprzestrzeni i stają się oddzielnymi królestwami. Ta wersja powstała raczej jako konsekwencja inflacji, szeroko akceptowanej teorii pierwszych chwil wszechświata.
Inflacja utrzymuje, że nasz wszechświat doświadczył nagłego wybuchu gwałtownej ekspansji chwilę po Wielkim Wybuchu, wybuchając z nieskończenie mała plamka do jednej rozciągającej się na ćwierć miliarda lat świetlnych w zaledwie ułamku sekundy.
Jednak raz rozpoczęta inflacja zwykle nigdy nie ustaje. Zgodnie z tą teorią, gdy wszechświat zacznie się rozszerzać, w niektórych miejscach skończy się, tworząc regiony takie jak wszechświat, który widzimy dzisiaj wokół nas. Ale gdzie indziej inflacja będzie po prostu trwać wiecznie w przyszłości.
Ta cecha skłoniła kosmologów do rozważenia scenariusza zwanego wieczną inflacją. Na tym obrazku poszczególne regiony przestrzeni przestają się rozszerzać i stają się „wszechświatami bąbelkowymi”, podobnie jak ten, w którym żyjemy. Jednak na większą skalę wykładnicza ekspansja trwa wiecznie i nieustannie tworzone są nowe wszechświaty bąbelkowe. Każda bańka jest uważana za wszechświat sam w sobie, mimo że jest częścią tej samej czasoprzestrzeni, ponieważ obserwator nie może podróżować z jednej bańki do drugiej bez poruszania się z prędkością większą niż prędkość światła. Każda bańka może mieć własne, odrębne prawa fizyki. „Jeśli kupisz wieczną inflację, przewiduje ona multiwers” - powiedział Peiris.
W 2012 roku Peiris i Johnson podjęli współpracę z Anthonym Aguirre i Max Wainwright – obaj fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz – aby zbudować symulowany multiwers z tylko dwoma bąbelkami. Zbadali, co się stało po zderzeniu się bąbelków, aby ustalić, co zobaczy obserwator. Zespół doszedł do wniosku, że zderzenie dwóch wszechświatów bąbelków będzie dla nas widoczne jako dysk na CMB o charakterystycznym profilu temperaturowym.
Starożytne zderzenie z bąbelkowym wszechświatem zmieniłoby temperaturę kosmicznego mikrofalowego tła (po lewej), tworząc słaby dysk na niebie (po prawej), który można było potencjalnie zaobserwować.
Olena Shmahalo / Quanta Magazyn; źródło: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Aby ustrzec się przed błędami ludzkimi – zwykle widzimy wzorce, które chcemy zobaczyć – opracowali zestaw algorytmów, aby automatycznie Poszukaj tych dysków w danych z kosmicznego obserwatorium Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Program zidentyfikował cztery potencjalne obszary z fluktuacjami temperatury zgodnymi z tym, co może być sygnaturą zderzenia pęcherzyków. Kiedy dane z satelity Planck staną się dostępne pod koniec tego roku, naukowcy powinni być w stanie ulepszyć tę wcześniejszą analizę.
Jednak wykrycie przekonujących sygnatur multiwersu jest trudne. Sama wiedza, jak może wyglądać spotkanie, wymaga dogłębnego zrozumienia dynamiki zderzeń bąbelków – czegoś dość trudnego do modelowania na komputerze, biorąc pod uwagę złożoność takich interakcji.
Kiedy fizycy zajmują się nowym problemem, zazwyczaj znaleźć dobry model, który już rozumieją, i dostosować go, wprowadzając drobne poprawki, które nazywają „zaburzeniami”. Na przykład, aby zamodelować trajektorię satelity w kosmosie, fizyk może skorzystać z klasycznych praw ruchu nakreślonych przez Izaaka Newtona w XVII wieku, a następnie dokonać drobnych udoskonaleń, obliczając wpływ innych czynników, które mogą wpływać na jego ruch, takich jak ciśnienie od wiatru słonecznego. W przypadku prostych systemów powinny występować tylko niewielkie rozbieżności w stosunku do modelu niezakłóconego. Spróbuj jednak obliczyć wzorce przepływu powietrza w złożonym systemie, takim jak tornado, a te przybliżenia się załamią. Perturbacje wprowadzają nagłe, bardzo duże zmiany w pierwotnym systemie zamiast mniejszych, przewidywalnych udoskonaleń.
Modelowanie zderzeń bąbelków w okresie inflacji wczesnego Wszechświata jest podobne do modelowania tornada. Ze swej natury inflacja rozciąga czasoprzestrzeń w tempie wykładniczym – dokładnie w rodzaju dużych skoków wartości, które sprawiają, że obliczanie dynamiki jest tak trudne.
„Wyobraź sobie, że zaczynasz od siatki, ale wewnątrz natychmiast siatka rozrosła się do ogromnych rozmiarów ”- powiedział Peiris. Wraz ze swoimi współpracownikami wykorzystywała takie techniki, jak udoskonalanie siatki adaptacyjnej – iteracyjny proces odsiewania najistotniejszych szczegółów takiej siatki w coraz dokładniejszych skalach – w swoich symulacjach inflacji, aby poradzić sobie ze złożonością. Eugene Lim , fizyk z Kings College London, odkrył, że niezwykły rodzaj fali wędrującej może jeszcze bardziej uprościć sprawę.
Odpowiedź
Wszystko rozszerza się – i tak to jest naturalne pytanie. W jaki sposób wszystko może się oddalać od wszystkiego, a mimo to nadal zderzać się?
Część winy za to zamieszanie leży w rodzajach diagramów i języku, których używamy do zademonstrowania rozszerzania się wszechświata. Jeśli powiem, że „przestrzeń pomiędzy każdą galaktyką rozszerza się, tak że każda galaktyka wydaje się oddalać od każdej innej galaktyki”, to dobry sposób, aby wyobrazić sobie ekspansję przestrzeni. Oznacza to również, że ignoruję wszystko, co się dzieje, co może komplikować sytuację, aby rozwinąć koncepcję kosmosu tak jasno, jak to tylko możliwe.
W tym przypadku to, co komplikuje sytuację, to nasza stara grawitacja przyjaciela. Gdyby każda galaktyka we Wszechświecie była równomiernie rozłożona – na przykład gdyby wszystkie były rozłożone tak, jakby były punktami na siatce – wówczas prosty opis jest również dokładny. Nie nie byłoby nic więcej. Każda galaktyka ewoluowałaby w całkowitej izolacji, powoli oddalając się od czegokolwiek innego.
Numeryczna symulacja gęstości materia, kiedy wszechświat miał 4,7 miliarda lat. Formacja galaktyk następuje po studniach grawitacyjnych wytwarzanych przez ciemną materię, w których gazowy wodór łączy się i zapalają się pierwsze gwiazdy. Zdjęcie: V. Springel i in. 2005, Nature, 435, 629
Nasz wszechświat nie wygląda tak.Nasz wszechświat wygląda znacznie bardziej jak pajęczyna niż siatka, z dużymi węzłami galaktyk i małymi włóknami galaktyk rozciągającymi się od każdego węzła. Wielkie węzły to gromady galaktyk, które mogą pomieścić tysiące galaktyk. Ich mniejsze odpowiedniki, grupy galaktyk, mają w sobie kilka galaktyk. Nasza własna galaktyka znajduje się w małej grupie, z Andromedą i grupą bardzo małych galaktyk karłowatych.
Te gromady i grupy są tym, co dzieje się, gdy galaktyki tworzą się wystarczająco blisko siebie, aby grawitacja mogła je przyciągnąć. Jeśli galaktyka znajduje się wystarczająco blisko innej galaktyki i nie porusza się zbyt szybko, grawitacja uniemożliwi jej ponowne rozdzielenie się. Galaktyki te mogą spadać na siebie przez wiele miliardów lat i generalnie będą mijać się nawzajem przy pierwszej próbie zderzenia, więc spędzą jeszcze wiele miliardów lat, spadając razem na drugą, a potem być może na trzecią próbę. Nasza galaktyka i Andromeda są razem na pierwszym etapie jesiennym, co prawdopodobnie zajmie około 3 miliardy lat, zanim trudno będzie rozdzielić nasze dwie galaktyki.
Ten system składa się z pary galaktyk, nazwanej NGC 3690 (lub Arp 299), które przeszły blisko 700 milionów lat temu. W wyniku tej interakcji w układzie nastąpił gwałtowny wybuch formowania się gwiazd. W ciągu ostatnich piętnastu lat sześć supernowych wyskoczyło w zewnętrznych rejonach galaktyki, czyniąc z tego systemu znakomitą fabrykę supernowych. Źródło: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration i A. Evans (University of Virginia, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Zasadniczo, zobacz, zderzenia galaktyk sprowadzają się do dwóch rzeczy; galaktyki nie utworzyły się na siatce, a siła ekspansji naszego wszechświata jest mniejsza niż siła grawitacji w przypadku galaktyk znajdujących się blisko siebie. Gdyby siła ekspansji była dużo, dużo silniejsza niż jest, to nawet grawitacja mogłaby nie być w stanie przyciągnąć galaktyk do siebie, a każda galaktyka naprawdę byłaby wszechświatem wyspowym, odizolowanym na zawsze. Na szczęście dla nas grawitacja nadal króluje, o ile warunki są odpowiednie.