Även om Einsteins allmänna relativitetsteori kan förklara ett stort antal fascinerande astrofysiska och kosmologiska fenomen, vissa aspekter av universums egenskaper på de största skalorna förblir ett mysterium. En ny studie med loop -kvantkosmologi - en teori som använder kvantmekanik för att förlänga gravitationell fysik bortom Einsteins allmänna relativitetsteori - står för två stora mysterier. Medan skillnaderna i teorierna inträffar på minsta skala - mycket mindre än till och med en proton - har de konsekvenser på den största tillgängliga skalan i universum. Studien, som visas online den 29 juli i tidningen Fysiska granskningsbrev , ger också nya förutsägelser om universum som framtida satellituppdrag kan testa.

Medan en utzoomad bild av universum ser ganska enhetlig ut, den har en storskalig struktur, till exempel för att galaxer och mörk materia inte är enhetligt fördelade i universum. Ursprunget till denna struktur har spårats tillbaka till de små inhomogeniteter som observerats i Cosmic Microwave Background (CMB) - strålning som avgavs när universum var 380 tusen år ungt som vi fortfarande kan se idag. Men CMB själv har tre förbryllande funktioner som anses vara avvikelser eftersom de är svåra att förklara med hjälp av känd fysik.

"Även om en av dessa avvikelser inte är så statistiskt anmärkningsvärd, att se två eller flera tillsammans tyder på att vi lever i ett exceptionellt universum, "sade Donghui Jeong, docent i astronomi och astrofysik vid Penn State och författare till tidningen. "En färsk studie i tidskriften Nature Astronomy föreslog en förklaring till en av dessa avvikelser som väckte så många ytterligare bekymmer, de flaggade för en ”möjlig kris i kosmologin”. Med hjälp av quantum loop -kosmologi, dock, vi har löst två av dessa avvikelser naturligt, undvika den potentiella krisen. "

Forskning under de senaste tre decennierna har kraftigt förbättrat vår förståelse av det tidiga universum, inklusive hur inhomogeniteterna i CMB producerades i första hand. Dessa inhomogeniteter är ett resultat av oundvikliga kvantfluktuationer i det tidiga universum. Under en mycket accelererad expansionsfas vid mycket tidiga tider - så kallad inflation - dessa ursprungliga, små fluktuationer sträcktes under tyngdkraftens inflytande och såde de observerade inhomogeniteterna i CMB.

"För att förstå hur urfrön uppstod, vi behöver titta närmare på det tidiga universum, där Einsteins allmänna relativitetsteori bryts ner, "sa Abhay Ashtekar, Evan Pugh professor i fysik, innehavare av Eberly Family Chair in Physics, och chef för Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Det vanliga inflationsparadigmet baserat på allmän relativitet behandlar rymdtid som ett smidigt kontinuum. Tänk på en skjorta som ser ut som en tvådimensionell yta, men vid närmare granskning kan du se att det är vävt av tätt packade endimensionella trådar. På det här sättet, rymdtidens väv vävs verkligen av kvantrådar. Vid redovisning av dessa trådar, loop -kvantkosmologi tillåter oss att gå utöver det kontinuum som beskrivs av allmän relativitet där Einsteins fysik bryts ner - till exempel bortom Big Bang. "

Forskarnas tidigare undersökning av det tidiga universum ersatte idén om en Big Bang -singularitet, där universum växte fram ur ingenting, med den stora studsen, där det nuvarande expanderande universum växte fram från en superkomprimerad massa som skapades när universum dragit ihop sig i sin föregående fas. De fann att alla universums storskaliga strukturer som redovisas av allmän relativitet förklaras lika av inflation efter denna stora studs med hjälp av ekvationer för loopkvantkosmologi.

I den nya studien, forskarna bestämde att inflation under loop -kvantkosmologi också löser två av de stora anomalier som uppträder under allmän relativitet.

"De ursprungliga fluktuationerna vi pratar om sker på den otroligt små Planck -skalan, "sa Brajesh Gupt, en postdoktor vid Penn State vid tidpunkten för forskningen och för närvarande vid Texas Advanced Computing Center vid University of Texas i Austin. "En Planck -längd är cirka 20 storleksordningar mindre än en protons radie. Men korrigeringar av inflationen i denna ofattbart små skala förklarar samtidigt två av anomalierna på de största skalorna i universum, i en kosmisk tango av det mycket små och det mycket stora. "

Forskarna producerade också nya förutsägelser om en grundläggande kosmologisk parameter och primitiva gravitationella vågor som kan testas under framtida satellituppdrag, inklusive LiteBird och Cosmic Origins Explorer, som kommer att fortsätta förbättra vår förståelse av det tidiga universum.