Kosmologer har kämpat för att förklara varför vårt 3D-universum härstammar från en liten 10-23 cm sfär som föddes för cirka 13,8 miljarder år sedan. Ursprunget till kosmisk expansion, kallat inflation, är ett av de viktigaste begreppen för att förstå början av universum inom det nuvarande kosmologiska paradigmet, den så kallade standardmodellen för kosmologi eller LambdaCDM-modellen.

Ett typiskt tillvägagångssätt är att anta att universum föddes från en jämn och nästan homogen fas, känd som inflationstiden. Kosmisk inflation föreslår att det tidiga universum genomgick en snabb exponentiell expansion, som sträckte ut och jämnade ut alla rynkor och inhomogeniteter från ett initialt tillstånd. Men denna enkla bild står inför utmaningar när den granskas i detalj, särskilt när det gäller ursprunget och naturen hos de observerade kosmiska strukturerna.

Ett internationellt forskarlag under ledning av professor Syksy Rasanen vid Helsingfors universitet föreslår ett alternativt scenario som utmanar standardmodellen för kosmologi. De föreslår att istället för att börja med ett jämnt initialtillstånd, kunde det tidiga universum ha fyllts med intrikata knutar eller nätverk av topologiska defekter.

I detta nya ramverk, som kallas knottig eller "defekt kosmologi", undersöker forskarna hur utvecklingen av dessa topologiska strukturer kan ge upphov till det observerade universum. Knutar kan leda till bildning av bubblor, som genom kollisioner skapar ytterligare knutar och bubblor, vilket resulterar i en komplex webbliknande struktur. Detta scenario avviker från det typiska inflationsparadigmet genom att introducera en nivå av komplexitet och inhomogenitet i det tidiga universum.

Enligt forskarna kan detta invecklade nätverk av defekter vara källan till den observerade kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CMB), som ger en ögonblicksbild av universums förhållanden när det var cirka 380 000 år gammalt. Teamet visar hur kollisionen och förintelsen av topologiska defekter kan producera funktioner i CMB som nära matchar faktiska observationer.

Vidare visar de hur nätverket av defekter också kan leda till bildandet av storskaliga kosmiska strukturer, såsom galaxhopar och filament, genom en process som kallas topologisk defektinducerad gravitationsinstabilitet. Detta tillvägagångssätt ger en alternativ förklaring till hur kosmiska strukturer uppstod i det tidiga universum, vilket utmanar den traditionella bilden av strukturbildning underifrån och upp.

Det knotiga kosmologiska ramverket öppnar nya vägar för att förstå universums ursprung och utveckling. Genom att introducera topologiska defekter som en grundläggande ingrediens i det tidiga universum, erbjuder forskarna ett nytt perspektiv på några av de mest djupgående frågorna inom kosmologi.