Bästa svaret
Multiverse Collisions May Dot the Sky
Tidigt i den kosmiska historien kan vårt universum ha stött på ett annat – ett urskott som kunde ha lämnat spår i Big Bangs efterglöd.
Fysiker söker bevis för en forntida kollision med ett annat universum.
Liksom många av hennes kollegor, Hiranya Peiris , en kosmolog vid University College London, avfärdade en gång till stor del tanken att vårt universum bara kan vara ett av många i ett stort multiversum . Det var vetenskapligt spännande, tänkte hon, men också i grunden otestbart. Hon föredrog att fokusera sin forskning på mer konkreta frågor, som hur galaxer utvecklas.
Sedan en sommar på Aspen Center for Physics, fann Peiris att hon chattade med Perimeter Institutes Matt Johnson , som nämnde sitt intresse för att utveckla verktyg för att studera idén. Han föreslog att de skulle samarbeta.
Först var Peiris skeptisk. ”Jag tror som observatör att varje teori, hur intressant och elegant som helst, saknas allvarligt om den inte har testbara konsekvenser”, sa hon. Men Johnson övertygade henne om att det kan finnas ett sätt att testa konceptet. Om universum som vi bor för länge sedan hade kolliderat med ett annat universum, skulle kraschen ha lämnat ett avtryck på den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), den svaga efterglöd från Big Bang. Och om fysiker kunde upptäcka en sådan signatur skulle det ge ett fönster in i multiverset.
Erick Weinberg , en fysiker vid Columbia University, förklarar detta multiversum genom att jämföra det med en kokande gryta, med bubblorna som representerar enskilda universum – isolerade fickor av rymdtid. När potten kokar expanderar bubblorna och kolliderar ibland. En liknande process kan ha inträffat under kosmos första ögonblick.
Under åren sedan deras första möte har Peiris och Johnson studerat hur en kollision med ett annat universum under de tidigaste ögonblicken skulle ha skickat något liknar en chockvåg över vårt universum. De tror att de kanske kan hitta bevis på en sådan kollision i data från rymdteleskopet Planck, som kartlägger CMB.
Projektet kanske inte fungerar, medger Peiris. Det kräver inte bara att vi lever i ett multiversum utan också att vårt universum kolliderade med en annan i vår urkosmiska historia. Men om fysiker lyckas kommer de att ha det första osannolika beviset för ett kosmos bortom vårt eget .
När bubblor kolliderar
Multiverse teorier förflyttades en gång till science fiction eller crackpot territorium. ”Det låter som att du har gått till galet land”, säger Johnson, som har gemensamma möten vid Perimeter Institute of Theoretical Physics och York University. Men forskare har kommit med många versioner av vad ett multiversum kan vara, andra mindre galna än andra.
Det multiversum som Peiris och hennes kollegor är intresserade av är inte den kontroversiella hypotesen ”många världar” som var först föreslogs på 1950-talet och hävdar att varje kvantehändelse skapar ett separat universum. Inte heller är detta begrepp med ett multiversum relaterat till den populära science-fiction tropen av parallella världar, nya universum som klämmer sig ur vår rymdtid och blir separata världar. Snarare uppstår denna version som en följd av inflation, en allmänt accepterad teori om universums första ögonblick. en oändlig liten fläck till en som sträcker sig över en fjärdedel av en miljard ljusår på bara bråkdelar av en sekund. Enligt teorin, när universum börjar expandera, kommer det att sluta på vissa ställen och skapa regioner som det universum vi ser runt omkring oss idag. Men någon annanstans fortsätter inflationen att fortsätta för evigt in i framtiden.
Denna funktion har fått kosmologer att överväga ett scenario som kallas evig inflation. I den här bilden slutar enskilda regioner i rymden att blåsas upp och blir ”bubbelunivers” som den vi lever i. Men i större skala fortsätter den exponentiella expansionen för alltid och nya bubbelunivers skapas ständigt. Varje bubbla anses vara ett universum i sig, trots att det är en del av samma rymdtid, eftersom en observatör inte kunde resa från en bubbla till en annan utan att röra sig snabbare än ljusets hastighet. Och varje bubbla kan ha sina egna fysiklagar. ”Om du köper evig inflation förutsäger det ett multiversum”, sa Peiris.
2012 samarbetade Peiris och Johnson med Anthony Aguirre och Max Wainwright – båda fysiker vid University of California, Santa Cruz – att bygga ett simulerat multiversum med bara två bubblor. De studerade vad som hände efter att bubblorna kolliderade för att avgöra vad en observatör skulle se. Teamet drog slutsatsen att en kollision mellan två bubbelunivers skulle visas för oss som en skiva på CMB med en distinkt temperaturprofil.
En gammal kollision med ett bubbeluniversum skulle ha förändrat temperaturen på den kosmiska mikrovågsbakgrunden (vänster) och skapat en svag skiva på himlen (höger) som potentiellt kan observeras.
Olena Shmahalo / Quanta Tidskrift; källa: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
För att skydda mot mänskliga misstag – vi brukar se de mönster vi vill se – de utformade en uppsättning algoritmer för att automatiskt sök efter dessa skivor i data från Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ett rymdbaserat observatorium. Programmet identifierade fyra potentiella regioner med temperatursvängningar som överensstämde med vad som skulle kunna vara en signatur för en kollision med bubblor. När data från Planck-satelliten blir tillgänglig senare i år bör forskare kunna förbättra den tidigare analysen.
Ändå är det svårt att upptäcka övertygande signaturer för multiversumet. Att bara veta hur ett möte kan se ut kräver en grundlig förståelse för dynamiken i kollisioner med bubblor – något som är ganska svårt att modellera på en dator, med tanke på komplexiteten i sådana interaktioner.
När fysikare tacklar ett nytt problem brukar hitta en bra modell som de redan förstår och anpassa den genom att göra mindre justeringar som de kallar ”störningar”. Till exempel, för att modellera en satellits bana i rymden, kan en fysiker använda de klassiska rörelselagar som Isaac Newton skisserade på 1600-talet och sedan göra små förfiningar genom att beräkna effekterna av andra faktorer som kan påverka dess rörelse, såsom tryck från solvinden. För enkla system bör det endast finnas små avvikelser från den oförstörda modellen. Försök dock beräkna luftflödesmönstren för ett komplext system som en tornado, och dessa approximationer bryts ner. Störningar introducerar plötsliga, mycket stora förändringar av det ursprungliga systemet istället för mindre, förutsägbara förfiningar.
Modellering av bubblakollisioner under inflationsperioden i det tidiga universum liknar modellering av en tornado. Inflationen sträcker i sin natur ut rymdtid i en exponentiell takt – exakt den typ av stora hopp i värden som gör beräkning av dynamiken så utmanande. direkt har nätet expanderat till en enorm storlek, säger Peiris. Med sina medarbetare har hon använt tekniker som adaptiv nätförfining – en iterativ process för att vinna ut de mest relevanta detaljerna i ett sådant rutnät i allt finare skala – i sina simuleringar av inflation för att hantera komplexiteten. Eugene Lim , en fysiker vid Kings College London, har funnit att en ovanlig typ av resande våg kan hjälpa till att förenkla sakerna ytterligare.
Svar
Allt expanderar – och så är det här en naturlig fråga att ställa. Hur kan allt expanderas bort från alla andra saker och ändå kollidera?
En del av skulden för denna förvirring ligger i de slags diagram och språk vi använder för att visa universums expansion. Om jag säger ”utrymmet mellan varje galax expanderar, så att varje galax verkar glida bort från alla andra galaxer”, är det ett bra sätt att få dig att föreställa dig en utvidgning av rymden. Det betyder också att jag ignorerar allt annat som händer som kan komplicera situationen, för att göra rymdidén så tydlig som möjligt.
I det här fallet är det som komplicerar situationen vår gamla vän gravitation. Om varje galax i universum var jämnt fördelade – till exempel om de alla var utformade som om de vore punkter i ett rutnät – är den enkla beskrivningen också en korrekt. Det skulle inte hända något annat. Varje galax skulle fortsätta att utvecklas i total isolering och långsamt glida längre bort från allt annat.
Numerisk simulering av densiteten hos betydelse när universum var 4,7 miljarder år gammalt. Galaxbildningen följer gravitationsbrunnarna som produceras av mörk materia, där vätgas smälter samman och de första stjärnorna antänds. Bildkredit: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Så ser inte vårt universum ut.Vårt universum ser mycket mer spindelvev ut än rutnät, med stora galaxknutar och små glödtrådar som sträcker sig bort från varje knut. De stora knutarna är galaxkluster och rymmer tusentals galaxer. Deras mindre motsvarigheter, galaxgrupper, har några galaxer i sig. Vår egen galax är i en liten grupp med Andromeda och en massa mycket små dvärggalaxer.
Dessa kluster och grupper är vad som händer när galaxer bildas tillräckligt nära varandra för att tyngdkraften kan dra ihop dem. Om en galax är tillräckligt nära en annan galax och inte rör sig för snabbt, kommer gravitationen att hindra dem från att verkligen separera igen. Dessa galaxer kan spendera många miljarder år på att falla mot varandra och kommer i allmänhet att sakna varandra vid det första kollisionsförsöket, så kommer att spendera många fler miljarder år på att falla ihop igen för en sekund, och sedan kanske ett tredje försök. Vår galax och Andromeda befinner sig i det första fallet tillsammans, vilket förmodligen kommer att ta cirka 3 miljarder år till innan det är svårt att skingra våra två galaxer.
Detta system består av ett par galaxer, kallat NGC 3690 (eller Arp 299), som passerade nära 700 miljoner år sedan. Som ett resultat av denna interaktion genomgick systemet en kraftig utbrott av stjärnbildning. Under de senaste femton åren har sex supernovor dykt upp i de yttre delarna av galaxen, vilket gör detta system till en framstående supernovafabrik. Kredit: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration, och A. Evans (University of Virginia, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Grundläggande är det faktum att vi se galaxkollisioner är två saker; galaxer bildades inte på ett rutnät, och vårt universums expansionskraft är mindre stark än gravitationskraften för galaxer som ligger nära varandra. Om expansionskraften var mycket, mycket starkare än den är, kanske inte ens tyngdkraften kan dra galaxer ihop, och varje galax skulle verkligen vara ett öuniversum, isolerat för alla tider. Lyckligtvis för oss är tyngdkraften fortfarande högst så länge som villkoren är rätta.