Kuinka silmukan kvanttipainovoima voisi sovittaa yhteen CMB:n poikkeavuuksia ja suuria rakenteita nykyaikaisessa maailmankaikkeudessa
Universumiamme kuvaa parhaiten LCDM malli. Se on laajeneva universumi, joka on täynnä pimeää energiaa (Lambda) ja tiheitä kylmän pimeän aineen (CDM) möykkyjä. Siihen sirotellaan myös tavallista ainetta, joka muodostaa planeetat, tähdet ja meidät, mutta se muodostaa vain noin 4 % kosmoksesta. Vaikka emme tiedä mitä pimeä aine ja pimeä energia ovat, tiedämme kuinka ne käyttäytyvät, joten ?CDM-malli toimii poikkeuksellisen hyvin. On vain yksi pieni ongelma.
Universumin eri mitat antavat hieman erilaiset arvot pimeälle aineelle ja pimeälle energialle. Luotto: ESO
LCDM määritellään useilla parametreilla, kuten Hubble-vakion arvolla, joka määrittää kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee, tai baryonitiheysparametrilla, joka kuvaa mittakaavaa, jolla galaksit ryhmittyvät yhteen. Useat riippumattomat kokeet ovat mitanneet näitä parametreja, ja tulokset ovat hieman eri mieltä. Esimerkiksi kaukaisten galaksien havainnot antavat Hubblen vakion, joka on korkeampi kuin kosmisesta mikroaaltotaustasta (CMB) löydetty arvo. Nämä erimielisyydet tunnetaan LCDM-mallin jännitteinä. Se on ehkä suurin ongelma nykyaikaisessa kosmologiassa.
Yksi tapa ratkaista tämä ongelma on tarkastella uusia kokeita, kuten gravitaatioaaltojen tähtitiedettä. Mutta toistaiseksi nämä eivät ole parantaneet asioita. Toinen polku on katsoa kohti uutta fysiikkaa, erityisesti teorioita, jotka laajentavat hiukkasfysiikan standardimallia.
Kosmologian LCDM-mallin tavoin hiukkasfysiikan standardimalli toimii erittäin hyvin. Mutta reunojen ympärillä on joitain vihjeitä siitä, että siellä voisi olla jotain muutakin. Vakiomallissa ei ole hiukkasta, joka voisi ottaa huomioon esimerkiksi pimeän aineen. Joten fyysikot ovat kehittäneet malleja, jotka ylittävät standardimallin. Näistä suosituin on merkkijonoteoriana tunnettu malliluokka. On kuitenkin vähemmän suosittu malli, joka tunnetaan nimellä Loop Quantum Gravity (LQG).
Kaavio, joka esittää universumin evoluutiota Loop Quantum Origins -paradigman mukaisesti. Luotto: APS/A. Stonebraker
LQG-malleissa tila ja aika ovat perustavanlaatuisia pienissä mittakaavaissa. Emme koskaan huomaisi tätä jokapäiväisessä elämässämme tai edes sellaisissa korkean energian kokeissa, joita teemme nykyaikaisissa hiukkaskiihdyttimissä. Universumin voimakkaimmilla alueilla, kuten mustien aukkojen sisätiloissa tai alkuräjähdyksen ensimmäisissä hetkissä, tällä rakeudella olisi kuitenkin merkittävää merkitystä.
Äskettäin ryhmä tarkasteli kuinka Loop Quantum Gravity olisi voinut olla vuorovaikutuksessa energian ja aineen kanssa alkuräjähdyksen aikana. He havaitsivat, että LQG:n rakenne varhaisessa universumissa suurentuisi kosmisen laajenemisen seurauksena havaittujen kosmisten parametrien siirtämiseksi. Toisin sanoen LCDM-mallissa näkemämme jännitys voi johtua kosmisesta tanssista hyvin pienen ja erittäin suuren välillä.
Se on kaikki hienoa ja hyvää, mutta vain teorian vuoksivoityö ei tarkoita, että se on teoriatekeetyö. Joten tiimi etsi myös tapaa, jolla heidän mallinsa voitaisiin erottaa muista ratkaisuista. He havaitsivat, että LQG jättäisi jälkensä myös kosmiseen mikroaaltouuniin. Jos malli on oikea, CMB:ssä tulisi olla pienten vaihteluiden klustereita, jotka eivät ole tilastollisesti satunnaisia. Avaruuden ja ajan rakeisen rakenteen tulisi jättää havaittava jälki.
Nämä vaihtelut olisivat liian pieniä Planckin kaltaisten satelliittien havainnointiin, mutta tulevien tehtävien, kuten Cosmic Origins Explorerin, pitäisi havaita ne. Jos tiimi on oikeassa, emme ehkä vain ratkaise kosmisen jännityksen mysteeriä, vaan saatamme myös ottaa ensimmäisen askeleemme uudelle fysiikan alueelle.
Viite:Ashtekarin, Abhayn et al. ' Kosmisen mikroaaltouunin taustan jännityksen lievitys Planckin mittakaavan fysiikkaa käyttäen .'Physical Review Letters125 (2020) 051302.