Alles, was wir über die Form des Universums zu wissen glauben, könnte falsch sein. Anstatt flach wie ein Bettlaken zu sein, könnte unser Universum laut einer neuen Studie wie ein massiver, aufgeblasener Ballon gekrümmt sein.
Dies ist das Ergebnis eines neuen Papiers, das heute (4. November) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde und sich mit Daten aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) befasst, dem schwachen Echo des Urknalls. Aber nicht jeder ist überzeugt; Die neuen Erkenntnisse, die auf Daten basieren, die 2018 veröffentlicht wurden, widersprechen sowohl der jahrelangen konventionellen Weisheit als auch einer anderen kürzlich durchgeführten Studie, die auf demselben CMB-Datensatz basiert.
Wenn das Universum laut dem neuen Papier gekrümmt ist, krümmt es sich sanft. Diese langsame Biegung ist nicht wichtig, um sich in unserem Leben, im Sonnensystem oder sogar in unserer Galaxie zu bewegen. Aber reisen Sie über all das hinaus, außerhalb unserer galaktischen Nachbarschaft, weit in die tiefe Dunkelheit hinein, und schließlich - wenn Sie sich in einer geraden Linie bewegen - werden Sie herumlaufen und genau dort landen, wo Sie angefangen haben. Kosmologen nennen diese Idee das "geschlossene Universum". Es gibt es schon eine Weile, aber es passt nicht zu bestehenden Theorien darüber, wie das Universum funktioniert. Es wurde also weitgehend zugunsten eines "flachen Universums" abgelehnt, das sich grenzenlos in alle Richtungen erstreckt und sich nicht um sich selbst dreht. Nun liefert eine Anomalie der Daten aus der bisher besten Messung des CMB solide (aber nicht absolut schlüssige) Beweise dafür, dass das Universum schließlich geschlossen ist, so die Autoren: Kosmologin Eleonora Di Valentino von der Universität Manchester, Kosmologin der Universität Sapienza von Rom Alessandro Melchiorri und der Kosmologe Joseph Silk von der Johns Hopkins University.
Der Unterschied zwischen einem geschlossenen und einem offenen Universum ist ein bisschen wie der Unterschied zwischen einem gedehnten flachen Blatt und einem aufgeblasenen Ballon, sagte Melchiorri gegenüber Live Science. In beiden Fällen erweitert sich das Ganze. Wenn sich das Blatt ausdehnt, bewegt sich jeder Punkt in einer geraden Linie von jedem anderen Punkt weg. Wenn der Ballon aufgeblasen ist, entfernt sich jeder Punkt auf seiner Oberfläche weiter von jedem anderen Punkt, aber die Krümmung des Ballons macht die Geometrie dieser Bewegung komplizierter.
"Dies bedeutet zum Beispiel, dass zwei Photonen, die sich parallel in einem geschlossenen Universum bewegen, sich treffen", sagte Melchiorri.
In einem offenen, flachen Universum würden sich die ungestörten Photonen auf ihren parallelen Bahnen bewegen, ohne jemals zu interagieren.
Das konventionelle Modell der Inflation des Universums, sagte Melchiorri, legt nahe, dass das Universum flach sein sollte. Spulen Sie die Raumausdehnung bis zum Anfang zurück, bis zu den ersten 0,000000000000000000000000001 Sekunden nach dem Urknall, und Sie werden einen Moment unglaublicher exponentieller Ausdehnung sehen, wenn der Raum aus dem Infinitesimalpunkt herauswächst, in dem er sich befindet begann. Und die Physik dieser superschnellen Expansion weist auf ein flaches Universum hin. Das ist der erste Grund, warum die meisten Experten glauben, das Universum sei flach, sagte er. Wenn das Universum nicht flach ist, müssen Sie die Physik dieses Urmechanismus "fein abstimmen", damit alles zusammenpasst - und dabei unzählige andere Berechnungen wiederholen, sagte Melchiorri.
Aber das könnte notwendig werden, schrieben die Autoren in der neuen Studie.
Das liegt daran, dass es eine Anomalie in der CMB gibt. Das CMB ist das älteste, was wir im Universum sehen. Es besteht aus Umgebungsmikrowellenlicht, das den gesamten Raum durchdringt, wenn Sie Sterne, Galaxien und andere Interferenzen blockieren. Es ist eine der wichtigsten Datenquellen zur Geschichte und zum Verhalten des Universums, weil es so alt und im ganzen Raum verbreitet ist. Und es stellt sich nach den neuesten Daten heraus, dass das CMB deutlich mehr "Gravitationslinsen" aufweist als erwartet - was bedeutet, dass die Schwerkraft die Mikrowellen des CMB mehr zu biegen scheint, als die vorhandene Physik erklären kann.
Die Daten, auf die das Team zurückgreift, stammen aus einer Veröffentlichung des Planck-Experiments aus dem Jahr 2018 - einem Experiment der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zur detaillierteren Kartierung des CMB als je zuvor. (Die neuen Daten werden in einer der nächsten Ausgaben der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht und sind ab sofort auf der ESA-Website verfügbar. Sowohl Di Valentino als auch Melchiorri waren ebenfalls Teil dieser Bemühungen.)
Um diese zusätzliche Linse zu erklären, hat die Planck-Kollaboration gerade eine zusätzliche Variable, die die Wissenschaftler "A_lens" nennen, in das Modell der Gruppenbildung des Universums aufgenommen. "Dies ist etwas, das Sie dort von Hand setzen und versuchen zu erklären, was Sie sehen. Es gibt keinen Zusammenhang mit der Physik ", sagte Melchiorri, was bedeutet, dass es in Einsteins Relativitätstheorie keinen A_lens-Parameter gibt. "Wir haben festgestellt, dass Sie A_lens mit einem positiv gekrümmten Universum erklären können. Dies ist eine viel physikalischere Interpretation, die Sie mit allgemeiner Relativitätstheorie erklären können."
Melchiorri wies darauf hin, dass die Interpretation seines Teams nicht schlüssig ist. Nach den Berechnungen der Gruppe weisen die Planck-Daten auf ein geschlossenes Universum mit einer Standardabweichung von 3,5 Sigma hin (eine statistische Messung, die eine Sicherheit von 99,8% bedeutet, dass das Ergebnis nicht zufällig ist). Das ist weit weniger als die 5-Sigma-Standardphysiker, nach denen sie normalerweise suchen, bevor sie eine bestätigte Idee anrufen.
Einige Kosmologen sagten jedoch, es gebe noch mehr Gründe, skeptisch zu sein.
Andrei Linde, ein Kosmologe an der Stanford University, sagte gegenüber Live Science, dass das Nature Astronomy-Papier ein weiteres wichtiges Papier, das am 1. Oktober in der arXiv-Datenbank veröffentlicht wurde, nicht berücksichtigt habe. (Dieses Papier wurde noch nicht in einem Peer-Review-Journal veröffentlicht. )
In diesem Artikel untersuchten die Kosmologen der Universität Cambridge, George Efstathiou und Steven Gratton, die beide auch an der Planck-Zusammenarbeit arbeiteten, eine engere Teilmenge von Daten als das Nature Astronomy-Papier. Ihre Analyse stützte auch ein gekrümmtes Universum, jedoch mit viel weniger statistischer Sicherheit als Di Valentino, Melchiorri und Silk, die ein größeres Segment der Planck-Daten betrachteten. Als Efstathiou und Graton die Daten zusammen mit zwei anderen vorhandenen Datensätzen aus dem frühen Universum betrachteten, stellten sie jedoch fest, dass die Beweise insgesamt auf ein flaches Universum hinwiesen.
Auf die Frage nach dem Papier von Efstathiou und Gratton lobte Melchiorri die sorgfältige Behandlung der Arbeit. Die Analyse des Duos stütze sich jedoch auf ein zu kleines Segment der Planck-Daten. Und er wies darauf hin, dass ihre Forschung auf einer modifizierten (und theoretisch verbesserten) Version der Planck-Daten basiert - nicht auf dem öffentlichen Datensatz, den mehr als 600 Physiker überprüft hatten.
Linde wies auf diese erneute Analyse als Zeichen dafür hin, dass Efstathiou und Grattons Arbeit auf besseren Methoden beruhte.
Efstathiou bat darum, nicht direkt zitiert zu werden, wies jedoch in einer E-Mail an Live Science darauf hin, dass eine Krümmung des Universums eine Reihe von Problemen aufwerfen würde - im Widerspruch zu den anderen Datensätzen aus dem frühen Universum und Unstimmigkeiten in der beobachteten Rate des Universums von Expansion viel schlimmer. Gratton sagte, er stimme zu.
Melchiorri stimmte auch zu, dass das Modell des geschlossenen Universums eine Reihe von Problemen für die Physik aufwerfen würde.
"Ich möchte nicht sagen, dass ich an ein geschlossenes Universum glaube", sagte er. "Ich bin ein bisschen neutraler. Ich würde sagen, warten wir auf die Daten und was die neuen Daten sagen werden. Ich glaube, dass es jetzt eine Diskrepanz gibt, dass wir vorsichtig sein und versuchen müssen, herauszufinden, was ist diese Diskrepanz erzeugen. "
