Richtung ist etwas, an das wir Menschen ziemlich gewöhnt sind. Wenn wir in unserer freundlichen terrestrischen Umgebung leben, sind wir es gewohnt, Dinge in Auf und Ab, links und rechts, vorwärts oder rückwärts zu sehen. Und für uns ist unser Bezugsrahmen festgelegt und ändert sich nicht, es sei denn, wir bewegen uns oder sind dabei, uns zu bewegen. Aber wenn es um Kosmologie geht, werden die Dinge etwas komplizierter.
Seit langem glauben Kosmologen, dass das Universum homogen und isotrop ist - d. H. Grundsätzlich in alle Richtungen gleich. In diesem Sinne gibt es im Raum kein „Auf“ oder „Ab“, sondern nur Bezugspunkte, die völlig relativ sind. Und dank einer neuen Studie von Forschern des University College London hat sich diese Ansicht als richtig erwiesen.
Für ihre Studie mit dem Titel „Wie isotrop ist das Universum?“ Verwendete das Forscherteam Umfragedaten des Cosmic Microwave Background (CMB) - der vom Urknall übrig gebliebenen Wärmestrahlung. Diese Daten wurden von der Planck-Raumsonde der ESA zwischen 2009 und 2013 erhalten.
Das Team analysierte es dann unter Verwendung eines Supercomputers, um festzustellen, ob es Polarisationsmuster gab, die anzeigen würden, ob der Raum eine „bevorzugte Expansionsrichtung“ hat. Der Zweck dieses Tests bestand darin, festzustellen, ob eine der Grundannahmen, die dem am weitesten verbreiteten kosmologischen Modell zugrunde liegen, tatsächlich richtig ist.
Die erste dieser Annahmen ist, dass das Universum durch den Urknall erschaffen wurde, der auf der Entdeckung basiert, dass sich das Universum in einem Expansionszustand befindet, und auf der Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Die zweite Annahme ist, dass der Raum homogen und istrop ist, was bedeutet, dass es keine wesentlichen Unterschiede in der Verteilung der Materie über große Maßstäbe gibt.
Dieser Glaube, der auch als kosmologisches Prinzip bekannt ist, basiert teilweise auf dem kopernikanischen Prinzip (das besagt, dass die Erde keinen besonderen Platz im Universum hat) und Einsteins Relativitätstheorie - die zeigte, dass die Messung der Trägheit in jedem System relativ ist an den Beobachter.
Diese Theorie hatte immer ihre Grenzen, da die Materie in kleineren Maßstäben (d. H. Sternensystemen, Galaxien, Galaxienhaufen usw.) eindeutig nicht gleichmäßig verteilt ist. Kosmologen haben dies jedoch argumentiert, indem sie sagten, dass Fluktuationen im kleinen Maßstab auf Quantenfluktuationen zurückzuführen sind, die im frühen Universum aufgetreten sind, und dass die Struktur im großen Maßstab homogen ist.
Durch die Suche nach Schwankungen im ältesten Licht des Universums haben Wissenschaftler versucht festzustellen, ob dies tatsächlich richtig ist. In den letzten dreißig Jahren wurden diese Arten von Messungen von mehreren Missionen durchgeführt, wie der Mission Cosmic Background Explorer (COBE), der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) und dem Planck-Raumschiff.
Für ihre Studie betrachtete das UCL-Forschungsteam unter der Leitung von Daniela Saadeh und Stephen Feeney die Dinge etwas anders. Anstatt nach Ungleichgewichten im Mikrowellenhintergrund zu suchen, suchten sie nach Anzeichen dafür, dass der Raum eine bevorzugte Expansionsrichtung haben könnte und wie sich diese auf dem CMB einprägen könnten.
Wie Daniela Saadeh - Doktorandin an der UCL und Hauptautorin des Papiers - dem Space Magazine per E-Mail mitteilte:
„Wir haben die Temperatur und Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), einer Reliktstrahlung aus dem Urknall, anhand von Daten aus der Planck-Mission analysiert. Wir haben den realen CMB mit unseren Vorhersagen verglichen, wie er in einem anisotropen Universum aussehen würde. Nach dieser Suche kamen wir zu dem Schluss, dass es keine Beweise für diese Muster gibt und dass die Annahme, dass das Universum im großen Maßstab isotrop ist, gut ist. “
Grundsätzlich zeigten ihre Ergebnisse, dass es nur eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 121 000 gibt, dass das Universum anisotrop ist. Mit anderen Worten, die Beweise deuten darauf hin, dass sich das Universum gleichmäßig in alle Richtungen ausgedehnt hat, wodurch alle Zweifel daran beseitigt werden, dass es sich tatsächlich um einen tatsächlichen Orientierungssinn im großen Maßstab handelt.
In gewisser Weise ist dies etwas enttäuschend, da ein Universum, das nicht homogen und in alle Richtungen gleich ist, zu einer Reihe von Lösungen für Einsteins Feldgleichungen führen würde. An sich legen diese Gleichungen der Raumzeit keine Symmetrien auf, aber das Standardmodell (zu dem sie gehören) akzeptiert Homogenität als eine Art gegeben.
Diese Lösungen sind als Bianchi-Modelle bekannt, die der italienische Mathematiker Luigi Bianchi Ende des 19. Jahrhunderts vorgeschlagen hat. Diese algebraischen Theorien, die auf die dreidimensionale Raumzeit angewendet werden können, werden erhalten, indem sie weniger restriktiv sind und somit ein Universum ermöglichen, das anisotrop ist.
Andererseits hat die von Saadeh, Feeney und ihren Kollegen durchgeführte Studie gezeigt, dass eine der Hauptannahmen, auf denen unsere aktuellen kosmologischen Modelle beruhen, tatsächlich richtig ist. Auf diese Weise haben sie auch das dringend benötigte Gefühl vermittelt, einer langfristigen Debatte näher zu kommen.
"In den letzten zehn Jahren gab es erhebliche Diskussionen darüber, ob im CMB Anzeichen einer großräumigen Anisotropie lauerten", sagte Saadeh. „Wenn das Universum anisotrop wäre, müssten wir viele unserer Berechnungen über seine Geschichte und seinen Inhalt überarbeiten. Hochwertige Planck-Daten boten die einmalige Gelegenheit, diesen Gesundheitscheck am Standardmodell der Kosmologie durchzuführen, und die gute Nachricht ist, dass er sicher ist. “
Wenn Sie das nächste Mal in den Nachthimmel schauen, denken Sie daran ... das ist ein Luxus, den Sie nur haben, wenn Sie auf der Erde stehen. Da draußen ist es ein ganz anderes Ballspiel! Also genieße diese Sache, die wir "Richtung" nennen, wann und wo du kannst.
Schauen Sie sich auch diese vom UCL-Team erstellte Animation an, die die CMB-Daten der Planck-Mission veranschaulicht:
