Kosmisk tango mellem de helt små og de meget store

Mens Einsteins generelle relativitetsteori kan forklare en lang række fascinerende astrofysiske og kosmologiske fænomener, nogle aspekter af universets egenskaber på de største skalaer forbliver et mysterium. En ny undersøgelse ved hjælp af loop -kvantekosmologi - en teori, der bruger kvantemekanik til at udvide tyngdekraftens fysik ud over Einsteins teori om generel relativitet - tegner sig for to store mysterier. Mens forskellene i teorierne forekommer på de mindste skalaer - meget mindre end endda en proton - har de konsekvenser på den største tilgængelige skala i universet. Studiet, som vises online den 29. juli i journalen Fysisk gennemgangsbreve , giver også nye forudsigelser om universet, som fremtidige satellitmissioner kunne teste.

Mens et zoomet billede af universet ser temmelig ensartet ud, den har en storstilet struktur, for eksempel fordi galakser og mørkt stof ikke er ensartet fordelt i universet. Oprindelsen af ​​denne struktur er blevet sporet tilbage til de små inhomogeniteter, der blev observeret i Cosmic Microwave Background (CMB) - stråling, der blev udsendt, da universet var 380 tusinde år ungt, som vi stadig kan se i dag. Men CMB selv har tre forvirrende funktioner, der betragtes som anomalier, fordi de er svære at forklare ved hjælp af kendt fysik.

"Selvom det at se en af ​​disse anomalier ikke er så statistisk bemærkelsesværdigt, at se to eller flere sammen tyder på, at vi lever i et usædvanligt univers, "sagde Donghui Jeong, lektor i astronomi og astrofysik i Penn State og forfatter til papiret. "En nylig undersøgelse i tidsskriftet Nature Astronomy foreslog en forklaring på en af ​​disse anomalier, der rejste så mange yderligere bekymringer, de markerede en 'mulig krise i kosmologi'. Ved hjælp af quantum loop -kosmologi, imidlertid, vi har løst to af disse anomalier naturligt, undgå den potentielle krise. "

Forskning i løbet af de sidste tre årtier har i høj grad forbedret vores forståelse af det tidlige univers, herunder hvordan inhomogeniteterne i CMB blev produceret i første omgang. Disse inhomogeniteter er et resultat af uundgåelige kvantesvingninger i det tidlige univers. Under en stærkt accelereret fase af ekspansion på meget tidlige tidspunkter - kendt som inflation - disse primordiale, minimale udsving blev strakt under tyngdekraftens indflydelse og såede de observerede inhomogeniteter i CMB.

"For at forstå, hvordan urfrø opstod, vi har brug for et nærmere kig på det tidlige univers, hvor Einsteins generelle relativitetsteori går i stykker, "sagde Abhay Ashtekar, Evan Pugh professor i fysik, indehaver af Eberly Family Chair in Physics, og direktør for Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Det normale inflationsparadigme baseret på generel relativitet behandler rumtid som et glat kontinuum. Betragt en skjorte, der ligner en todimensionel overflade, men ved nærmere eftersyn kan man se, at den er vævet af tæt pakkede endimensionelle tråde. På denne måde, rumtiden er virkelig vævet af kvantetråde. Ved regnskab for disse tråde, loop -kvantekosmologi giver os mulighed for at gå ud over det kontinuum, der beskrives ved generel relativitet, hvor Einsteins fysik bryder sammen - for eksempel ud over Big Bang. "

Forskernes tidligere undersøgelse af det tidlige univers erstattede ideen om et Big Bang -singularitet, hvor universet opstod ud af ingenting, med Big Bounce, hvor det nuværende ekspanderende univers stammer fra en superkomprimeret masse, der blev skabt, da universet trak sig sammen i sin foregående fase. De fandt ud af, at alle de store strukturer i universet, der blev redegjort for ved generel relativitet, ligeledes forklares af inflation efter dette Big Bounce ved hjælp af ligninger for loop-kvantekosmologi.

I den nye undersøgelse, forskerne fastslog, at inflation under loop -kvantekosmologi også løser to af de store anomalier, der optræder under generel relativitet.

"De oprindelige udsving, vi taler om, forekommer i den utroligt lille Planck -skala, "sagde Brajesh Gupt, en postdoktor i Penn State på tidspunktet for forskningen og i øjeblikket på Texas Advanced Computing Center ved University of Texas i Austin. "En Planck -længde er omkring 20 størrelsesordener mindre end en protons radius. Men korrektioner til inflation i denne ufatteligt lille skala forklarer samtidigt to af anomalierne på de største skalaer i universet, i en kosmisk tango af de helt små og de meget store. "

Forskerne fremstillede også nye forudsigelser om en grundlæggende kosmologisk parameter og urgravitationsbølger, der kunne testes under fremtidige satellitmissioner, herunder LiteBird og Cosmic Origins Explorer, som fortsat vil forbedre vores forståelse af det tidlige univers.