Foregribelse af fremtidige opdagelser:Forskere udforsker ikke-triviel kosmisk topologi

I et nyt Physical Review Letters (PRL ) undersøgelse, undersøger videnskabsmænd muligheden for ikke-trivielle eller eksotiske topologier i universet for at forklare nogle af de anomalier, der ses i Cosmic Microwave Background (CMB).

Vores kosmologiske model af universet, baseret på kvantemekanik og generel relativitetsteori, beskæftiger sig med universets geometri som påvirket af stof og energi, som til de fleste formål anses for at være flad.

Det siger dog intet om selve universets topologi:Er det uendeligt, har det sløjfer osv. PRL undersøgelsen fokuserer på dette aspekt af universet, og om nuværende modeller og data tillader tilstedeværelsen af ​​disse eksotiske eller ikke-trivielle topologier.

Forskningen er udført som en del af COMPACT-samarbejdet bestående af et internationalt hold af forskere. En af medforfatterne til undersøgelsen, professor Glenn D. Starkman fra Case Western Reserve University i Ohio, USA, talte til Phys.org om holdets arbejde.

Han diskuterede sin motivation til at forfølge dette arbejde og sagde:"Muligheden for, at universet har 'interessant' topologi er helt inden for vores standardmodel for fysik, men betragtes ikke desto mindre typisk som eksotisk."

"Jeg har længe været bekymret for, at vi ville gå glip af en ekstraordinær opdagelse om vores univers ved bare at se den anden vej. I mellemtiden er der voksende beviser for, at universet ikke er 'statistisk isotropisk', dvs. at fysikken er den samme i alle retninger . Topologi er en meget naturlig måde for anisotropi at krybe ind i vores univers."

Kosmisk mikrobølgebaggrund

CMB er en type stråling, der tilhører mikrobølgespektret. Forudsagt i 1940'erne som en rest af Big Bang, blev det opdaget i 1965 ved et uheld.

Efter Big Bang, som er hvordan det nuværende univers opstod, var der intet andet end en suppe af fundamentale partikler og gasser ved ekstremt høje temperaturer og tryk, ofte omtalt som en ursuppe.

Efterhånden som universet udvidede sig, kølede det også ned. Dette førte til, at de fundamentale partikler gik sammen og dannede atomer. Indtil dette tidspunkt interagerede fotoner med disse fundamentale partikler og spredte sig, hvilket ikke tillod dem at rejse frit. Men når først atomer begyndte at dannes, rejste fotoner mere frit omkring 380.000 år efter Big Bang.

Dette markerede udbredelsen af ​​CMB, som betragtes som en 'efterglød' af Big Bang. Den rummer vigtig information om det tidlige univers og de efterfølgende processer, der førte til dannelsen af ​​storskalastrukturer som stjerner og galakser.

CMB er til stede overalt og er for det meste ensartet i temperatur. Der er dog små udsving og anomalier i CMB-data, som ikke er blevet forklaret.

Forskerne i PRL undersøgelse foreslår, at disse fluktuationer og anomalier i CMB-målinger kan forklares ved at overveje universets ikke-trivielle topologier, hvilket betyder, at vi ikke behøver at se på det som 'fladt'.

Kosmisk topologi

Topologi er en gren af ​​matematikken, der beskæftiger sig med genstandes form og struktur. Topologiens regler er ret forskellige fra geometriens regler. Mens geometri og topologi er forskellige begreber, påvirker geometri topologi.

Geometri definerer, hvordan rummet er buet (rumtid betragtes som flad i små skalaer), og topologi definerer rummets overordnede forbindelse.

Hvis vi skulle have fladt rum, kan vi ikke have topologier, hvor rummet krummer indad eller har sløjfer. Det betyder, at for at rejse mellem to punkter, skal vi tage en lige linje uden nogen omveje eller sløjfer.

Prof. Starkman forklarede, "Universet kan være som et gammeldags videospil, hvor du ved at forlade højre side af skærmen ville se dig springe ind fra venstre, så du kan komme tilbage, hvor du startede med en lige linje. Dette kaldes at være multipliceret forbundet."

I bund og grund antyder den lige linje, at på trods af tilsynekomsten af ​​kontinuerlig bevægelse, giver rummets underliggende topologi mulighed for uventet forbindelse, hvor det, der virker som en lineær bane, faktisk kan gå tilbage på sig selv.

Tilsvarende temperaturcirkler

Hvis universet skulle være 'multipliceret forbundet' (dvs. have ikke-triviel topologi), ville vi observere matchede temperaturcirkler. Dette skyldes, at lys, der rejser fra en kilde (som en stjerne), kan rejse langs to forskellige stier og ankomme til observatøren (Jorden) fra to retninger.

Dette efterlader lignende temperaturudsving på et CMB-kort (eller varmekort), hvilket resulterer i matchede temperaturcirkler. Der har dog ikke været beviser, der tyder på tilstedeværelsen af ​​disse matchede temperaturcirkler.

"Manglen på matchede temperaturcirkler er det, der fortæller os om længden af ​​den korteste lukkede sløjfe gennem os, men den fortæller os ikke om længden af ​​løkker gennem andre steder," sagde prof. Starkman.

Fraværet af matchede temperaturcirkler i CMB-dataene antyder, at hvis ikke-triviel topologi eksisterer, skal de sløjfer, der passerer gennem vores placering (Jorden), være relativt små.

Dette sætter en grænse for længden af ​​disse løkker. Prof. Starkman forklarede:"Hvis CMB-anomalierne skyldes kosmisk topologi, så bør længden af ​​de korteste sløjfer gennem os ikke være mere end omkring 20-30% længere end diameteren af ​​den sidste spredningsflade - en kugle med en radius lig med den afstand, lyset har tilbagelagt i universets historie."

Fremtidige begrænsninger og søgninger

I lyset af ovenstående begrænsning og søgen efter ikke-triviel topologi, foreslår forskerne yderligere måder til at opdage en sådan topologi i fremtiden.

De nævner især ændringer i de statistiske mønstre af temperaturudsving i CMB-data såvel som i universets storskalastruktur. Disse fluktuationer eller vekslen ville komme frem, hvis ikke-triviel topologi var til stede.

Men disse påvisninger kræver enorm beregningskraft, og forskerne foreslår brugen af ​​maskinlæringsalgoritmer til at fremskynde beregninger og udvinde CMB-data for at detektere ikke-triviel topologi.

"Søgningen efter topologi vil blive fornyet efter omkring et årti lang pause. Forhåbentlig vil vi opdage kosmisk topologi og derved forstå oprindelsen af ​​anisotropien i vores univers og få et indblik i de processer, der er ansvarlige for den oprindelige fremkomst af vores univers, " konkluderede prof. Starkman.

Undersøgelsen fremhæver også, at selv i fravær af eksplicit matchede cirkler, indikerer tilstedeværelsen af ​​statistisk anisotropi (eller anomalier) i CMB den potentielle eksistens af detekterbar information om universets struktur og topologi.

Flere oplysninger: Yashar Akrami et al., Promise of Future Searches for Cosmic Topology, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.171501

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network