Suunta on jotain, johon me ihmiset olemme melko tottuneet. Eläessämme ystävällisessä maanpäällisessä ympäristössämme olemme tottuneet näkemään asiat ylös ja alas, vasemmalle ja oikealle, eteenpäin tai taaksepäin. Ja meille viitekehyksemme on kiinteä eikä muutu, ellemme liiku tai ole muuttovaiheessa. Mutta mitä tulee kosmologiaan, asiat muuttuvat hieman monimutkaisemmiksi.
Kosmologit ovat jo pitkään uskoneet, että maailmankaikkeus on homogeeninen ja isotrooppinen – eli pohjimmiltaan sama kaikkiin suuntiin. Tässä mielessä ei ole olemassa sellaista asiaa kuin 'ylös' tai 'alas', kun on kyse avaruudesta, on vain viitepisteitä, jotka ovat täysin suhteellisia. Ja kiitos University College Londonin tutkijoiden uuden tutkimuksen, tämä näkemys on osoittautunut oikeaksi.
Heidän tutkimuksensa vuoksi, jonka otsikko on ' Kuinka isotrooppinen maailmankaikkeus on? ', tutkimusryhmä käytti tutkimustietoja Kosminen mikroaaltouunin tausta (CMB) – alkuräjähdyksestä jäljelle jäänyt lämpösäteily. Nämä tiedot hankittiin ESAn Planck-avaruusaluksella vuosina 2009–2013.
Kosminen mikroaaltouunin taustasäteily, tehostettu osoittamaan poikkeavuuksia. Luotto: ESA ja Planck Collaboration
Tämän jälkeen ryhmä analysoi sen supertietokoneella selvittääkseen, onko olemassa polarisaatiokuvioita, jotka osoittaisivat, onko avaruudella 'ensisijainen laajenemissuunta'. Tämän testin tarkoituksena oli nähdä, onko yksi yleisimmin hyväksytyn kosmologisen mallin taustalla olevista perusoletuksista todellakin oikea.
Ensimmäinen näistä oletuksista on, että maailmankaikkeus loi alkuräjähdyksen, joka perustuu havaintoon, että universumi on laajentumistilassa, ja kosmisen mikroaaltotaustan löytämiseen. Toinen oletus on, että avaruus on homogeeninen ja istrooppinen, mikä tarkoittaa, että aineen jakautumisessa suurissa mittakaavassa ei ole suuria eroja.
Tämä uskomus, joka tunnetaan myös nimellä Kosmologinen periaate , perustuu osittain Kopernikaaniseen periaatteeseen (joka sanoo, että maapallolla ei ole erityistä paikkaa maailmankaikkeudessa) ja Einsteinin Suhteellisuusteoria – joka osoitti, että inertian mittaus missä tahansa järjestelmässä on suhteessa tarkkailijaan.
Tällä teorialla on aina ollut rajoituksensa, koska aine ei selvästikään ole jakautunut tasaisesti pienemmissä mittakaavaissa (esim. tähtijärjestelmät, galaksit, galaksijoukot jne.). Kosmologit ovat kuitenkin kiistelleet tämän ympärillä sanomalla, että pienen mittakaavan vaihtelu johtuu kvanttivaihteluista, joita esiintyi varhaisessa universumissa, ja että laajamittainen rakenne on homogeeninen.
Alkuräjähdyksen ja maailmankaikkeuden laajenemisen aikajana. Kiitos: NASA
Etsimällä vaihteluja maailmankaikkeuden vanhimmasta valosta, tiedemiehet ovat yrittäneet määrittää, pitääkö tämä paikkansa. Viimeisen kolmenkymmenen vuoden aikana tällaisia mittauksia on suoritettu useissa tehtävissä, kuten Kosmisen taustan tutkija (COBE) -tehtävä Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ja Planck-avaruusalus .
UCL:n tutkimusryhmä Daniela Saadehin ja Stephen Feeneyn johtaman tutkimuksensa vuoksi katsoi asioita hieman eri tavalla. Sen sijaan, että olisi etsitty epätasapainoa mikroaaltouunin taustasta, he etsivät merkkejä siitä, että avaruudella voisi olla haluttu laajenemissuunta ja kuinka ne voisivat painaa itsensä CMB:hen.
Kuten Daniela Saadeh – UCL:n tohtoriopiskelija ja paperin johtava kirjoittaja – kertoi Universe Todaylle sähköpostitse:
'Analysoimme alkuräjähdyksen jäännöksen kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) lämpötilaa ja polarisaatiota käyttäen Planck-tehtävästä saatuja tietoja. Vertasimme todellista CMB:tä ennustuksemme miltä se näyttäisi anisotrooppisessa universumissa. Tämän etsinnän jälkeen päätimme, että näille kaavoille ei ole todisteita ja että oletus, että universumi on isotrooppinen suuressa mittakaavassa, on hyvä.'
Pohjimmiltaan heidän tulokset osoittivat, että todennäköisyys, että universumi on anisotrooppinen, on vain 1:121 000. Toisin sanoen todisteet osoittavat, että universumi on laajentunut kaikkiin suuntiin tasaisesti, mikä poistaa kaikki epäilykset siitä, ovatko ne todellista suunnan tunnetta suuressa mittakaavassa.
Planck-avaruusaluksella otettu 'nyt ja silloin' koko taivaan kuva, joka näyttää samalla galaksimme ja sen rakenteet lähihistorian tapaan; ja 'sitten' - alkuräjähdyksen punainen jälkihehku nähtynä sellaisena kuin se oli vain 380 000 vuotta myöhemmin. Luotto: ESA
Ja tavallaan tämä on hieman pettymys, koska universumi, joka ei ole homogeeninen ja sama kaikkiin suuntiin, johtaisi joukkoon ratkaisuja Einsteinin kenttäyhtälöihin. Nämä yhtälöt eivät sinänsä aseta mitään symmetriaa tila-ajalle, mutta standardimalli (jonka ne ovat osa) hyväksyy homogeenisuuden eräänlaisena annettuna.
Nämä ratkaisut tunnetaan Bianchin malleina, joita italialainen matemaatikko Luigi Bianchi ehdotti 1800-luvun lopulla. Nämä algebralliset teoriat, joita voidaan soveltaa kolmiulotteiseen aika-avaruuteen, saadaan olemalla vähemmän rajoittavia ja mahdollistavat siten anisotrooppisen universumin.
Toisaalta Saadehin, Feeneyn ja heidän kollegoidensa tekemä tutkimus on osoittanut, että yksi tärkeimmistä olettamuksista, joihin nykyiset kosmologiset mallimme perustuvat, on todellakin oikea. Näin tehdessään he ovat myös tarjonneet kipeästi kaivattua tunnetta lähemmäs pitkän aikavälin keskustelua.
'Viimeisten kymmenen vuoden aikana on keskusteltu paljon siitä, oliko CMB:ssä piilevä laajamittainen anisotropia', Saadeh sanoi. 'Jos universumi olisi anisotrooppinen, meidän olisi tarkistettava monia sen historiaa ja sisältöä koskevia laskelmiamme. Planckin korkealaatuiset tiedot sisälsivät loistavan mahdollisuuden suorittaa tämä terveystarkastus kosmologian standardimallilla, ja hyvä uutinen on, että se on turvallista.
Joten kun seuraavan kerran huomaat katsovasi yötaivaalle, muista… se on ylellisyyttä, joka sinulla on vain seisoessasi maan päällä. Siellä on kokonainen 'ei mikään muu pallopeli'! Joten nauti tästä aiheesta, jota kutsumme 'suunnaksi', milloin ja missä voit.
Ja muista katsoa tämä UCL-tiimin tuottama animaatio, joka havainnollistaa Planck-tehtävän CMB-tietoja:
https://zenodo.org/record/48654/files/SVTT_movie.mp4