I ett nytt Physical Review Letters (PRL ) studerar forskare möjligheten av icke-triviala eller exotiska topologier i universum för att förklara några av anomalierna som ses i Cosmic Microwave Background (CMB).
Vår kosmologiska modell av universum, baserad på kvantmekanik och allmän relativitet, handlar om universums geometri som påverkad av materia och energi, som för de flesta ändamål anses vara platt.
Det säger dock ingenting om själva universums topologi:är det oändligt, har det loopar, etc. PRL studien fokuserar på denna aspekt av universum och huruvida nuvarande modeller och data tillåter närvaron av dessa exotiska eller icke-triviala topologier.
Forskningen görs som en del av COMPACT-samarbetet som består av ett internationellt team av forskare. En av medförfattarna till studien, professor Glenn D. Starkman från Case Western Reserve University i Ohio, USA, pratade med Phys.org om lagets arbete.
När han diskuterade sin motivation att fortsätta detta arbete, sa han:"Möjligheten att universum har "intressant" topologi ligger helt och hållet inom vår standardmodell för fysik men betraktas ändå vanligtvis som exotisk."
"Jag har länge varit orolig för att vi skulle missa en extraordinär upptäckt om vårt universum genom att bara titta åt andra hållet. Under tiden finns det växande bevis för att universum inte är 'statistiskt isotropiskt', det vill säga att fysiken är densamma i alla riktningar. . Topologi är ett mycket naturligt sätt för anisotropi att krypa in i vårt universum."
CMB är en typ av strålning som tillhör mikrovågsspektrat. Den förutspåddes på 1940-talet som en kvarleva av Big Bang, och upptäcktes 1965 av en slump.
Efter Big Bang, vilket är hur det nuvarande universum uppstod, fanns det inget annat än en soppa av fundamentala partiklar och gaser vid extremt höga temperaturer och tryck, ofta kallad en ursoppa.
När universum expanderade kyldes det också ner. Detta ledde till att de fundamentala partiklarna kombinerades för att bilda atomer. Fram till denna punkt interagerade fotoner med dessa fundamentala partiklar och spreds, vilket inte tillät dem att färdas fritt. Men när atomer väl började bildas reste fotoner mer fritt, cirka 380 000 år efter Big Bang.
Detta markerade spridningen av CMB, som anses vara en "efterglöd" av Big Bang. Den innehåller viktig information om det tidiga universum och de efterföljande processerna som ledde till bildandet av storskaliga strukturer som stjärnor och galaxer.
CMB finns överallt och är för det mesta enhetlig i temperatur. Det finns dock små fluktuationer och anomalier i CMB-data som inte har förklarats.
Forskarna i PRL studie föreslår att dessa fluktuationer och anomalier i CMB-mätningar kan förklaras genom att beakta icke-triviala topologier i universum, vilket innebär att vi inte behöver se det som "platt".
Topologi är en gren av matematiken som handlar om föremåls form och struktur. Topologins regler är helt annorlunda än geometrins regler. Medan geometri och topologi är distinkta begrepp, påverkar geometri topologi.
Geometri definierar hur rymden är krökt (rymdtiden anses vara platt i små skalor), och topologin definierar rymdens övergripande anslutningsmöjligheter.
Om vi skulle ha platt rymd kan vi inte ha topologier där rymden kröker sig inåt eller har slingor. Detta innebär att för att färdas mellan två punkter måste vi ta en rät linje utan några omvägar eller slingor.
Prof. Starkman förklarade, "Universum kan vara som ett gammalt videospel, där om du lämnade den högra sidan av skärmen skulle du komma in från vänster, så att du kan komma tillbaka där du började med en rak linje. Detta kallas att vara multiplicerad."
I huvudsak antyder den raka banan att trots uppkomsten av kontinuerlig rörelse tillåter rymdens underliggande topologi oväntad anslutning, där det som verkar som en linjär bana faktiskt kan loopa tillbaka på sig självt.
Om universum skulle vara "multipelkopplat" (dvs. ha icke-trivial topologi), skulle vi observera matchade temperaturcirklar. Detta beror på att ljus som färdas från en källa (som en stjärna) kan färdas längs två olika banor och anlända till observatören (Jorden) från två riktningar.
Detta lämnar efter sig liknande temperaturfluktuationer på en CMB-karta (eller värmekarta), vilket resulterar i matchade temperaturcirklar. Det har dock inte funnits några bevis som tyder på närvaron av dessa matchade temperaturcirklar.
"Avsaknaden av matchade temperaturcirklar är det som talar om för oss om längden på den kortaste slutna slingan genom oss, men den berättar inte om längden på slingor genom andra ställen", säger professor Starkman.
Frånvaron av matchade temperaturcirklar i CMB-data tyder på att om icke-trivial topologi existerar måste slingorna som passerar genom vår plats (Jorden) vara relativt små.
Detta sätter en gräns för längden på dessa slingor. Prof. Starkman förklarade, "Om CMB-anomalierna beror på kosmisk topologi, bör längden på de kortaste slingorna genom oss inte vara mer än cirka 20–30 % längre än diametern på den sista spridningsytan – en sfär med en radie lika med den sträcka som ljuset har färdats i universums historia."
Mot bakgrund av ovanstående begränsning och sökandet efter icke-trivial topologi, föreslår forskarna ytterligare sätt att upptäcka sådan topologi i framtiden.
I synnerhet nämner de förändringar i de statistiska mönstren för temperaturfluktuationer i CMB-data såväl som i universums storskaliga struktur. Dessa fluktuationer eller växlingar skulle komma fram om icke-trivial topologi var närvarande.
Men dessa detektioner kräver enorm beräkningskraft och forskarna föreslår användning av maskininlärningsalgoritmer för att påskynda beräkningar och utvinna CMB-data för att upptäcka icke-trivial topologi.
"Sökandet efter topologi kommer att förnyas efter ungefär ett decennium långt uppehåll. Förhoppningsvis kommer vi att upptäcka kosmisk topologi och därigenom förstå ursprunget till vårt universums anisotropi och få en inblick i de processer som är ansvariga för den ursprungliga uppkomsten av vårt universum, " avslutade prof. Starkman.
Studien visar också att även i frånvaro av explicit matchade cirklar, indikerar närvaron av statistisk anisotropi (eller anomalier) i CMB den potentiella existensen av detekterbar information om universums struktur och topologi.
Mer information: Yashar Akrami et al, Promise of Future Searches for Cosmic Topology, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.171501
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
