Richting is iets waar wij mensen behoorlijk aan gewend zijn. Wonen in onze vriendelijke aardse omgeving, we zijn gewend om dingen te zien in termen van omhoog en omlaag, links en rechts, vooruit of achteruit. En voor ons staat ons referentiekader vast en verandert het niet, tenzij we verhuizen of bezig zijn met verhuizen. Maar als het gaat om kosmologie, wordt het een beetje ingewikkelder.
Kosmologen zijn al lang van mening dat het universum homogeen en isotroop is - d.w.z. fundamenteel hetzelfde in alle richtingen. In die zin bestaat er niet zoiets als "omhoog" of "omlaag" als het gaat om ruimte, alleen referentiepunten die volledig relatief zijn. En dankzij een nieuwe studie door onderzoekers van het University College London is die mening juist gebleken.
Omwille van hun studie, getiteld "Hoe isotroop is het heelal?", Gebruikte het onderzoeksteam onderzoeksgegevens van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) - de thermische straling die overblijft van de oerknal. Deze gegevens zijn tussen 2009 en 2013 verkregen door het ruimtevaartuig Planck van ESA.
Het team analyseerde het vervolgens met behulp van een supercomputer om te bepalen of er polarisatiepatronen waren die zouden aangeven of de ruimte een 'voorkeursrichting' van expansie heeft. Het doel van deze test was om te zien of een van de basisveronderstellingen die ten grondslag liggen aan het meest algemeen aanvaarde kosmologische model, inderdaad juist is.
De eerste van deze veronderstellingen is dat het heelal is gemaakt door de oerknal, die is gebaseerd op de ontdekking dat het heelal in een staat van expansie verkeert, en de ontdekking van de kosmische microgolfachtergrond. De tweede veronderstelling is dat de ruimte homogeen en istropisch is, wat betekent dat er geen grote verschillen zijn in de verdeling van materie over grote schalen.
Deze overtuiging, ook wel bekend als het kosmologische principe, is gedeeltelijk gebaseerd op het copernicaanse principe (dat stelt dat de aarde geen speciale plaats in het heelal heeft) en de relativiteitstheorie van Einstein - die aantoonde dat de traagheidsmeting in elk systeem relatief is. aan de waarnemer.
Deze theorie heeft altijd zijn beperkingen gehad, aangezien materie duidelijk niet gelijkmatig is verdeeld op kleinere schalen (d.w.z. sterrenstelsels, sterrenstelsels, sterrenstelselclusters, enz.). Kosmologen hebben hier echter om geredeneerd door te zeggen dat fluctuaties op kleine schaal het gevolg zijn van kwantumfluctuaties die zich in het vroege heelal hebben voorgedaan, en dat de grootschalige structuur er een is van homogeniteit.
Door te zoeken naar fluctuaties in het oudste licht in het heelal, hebben wetenschappers geprobeerd te bepalen of dit inderdaad klopt. In de afgelopen dertig jaar zijn dit soort metingen uitgevoerd door meerdere missies, zoals de Cosmic Background Explorer (COBE) -missie, de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) en het Planck-ruimtevaartuig.
Omwille van hun studie keek het UCL-onderzoeksteam - onder leiding van Daniela Saadeh en Stephen Feeney - een beetje anders naar de dingen. In plaats van te zoeken naar onevenwichtigheden in de achtergrond van de magnetron, zochten ze naar tekenen dat de ruimte een voorkeursuitzettingsrichting zou kunnen hebben, en hoe deze zich op de CMB zouden kunnen drukken.
Zoals Daniela Saadeh - een PhD-student aan de UCL en de hoofdauteur op papier - Space Magazine via e-mail vertelde:
“We analyseerden de temperatuur en polarisatie van de kosmische microgolfachtergrond (CMB), een overblijfselenstraling van de oerknal, met behulp van gegevens van de Planck-missie. We vergeleken de echte CMB met onze voorspellingen voor hoe het eruit zou zien in een anisotroop universum. Na deze zoektocht concludeerden we dat er geen bewijs is voor deze patronen en dat de veronderstelling dat het heelal op grote schaal isotroop is een goede is. ”
Hun resultaten toonden in feite aan dat er slechts een kans van 1 op 121 000 is dat het heelal anisotroop is. Met andere woorden, het bewijsmateriaal geeft aan dat het universum zich uniform in alle richtingen heeft uitgebreid, waardoor alle twijfels over het feit dat ze op grote schaal werkelijk een richtinggevoel zijn, zijn weggenomen.
En in zekere zin is dit een beetje teleurstellend, aangezien een universum dat niet homogeen is en in alle richtingen hetzelfde is, zou leiden tot een reeks oplossingen voor de veldvergelijkingen van Einstein. Op zichzelf leggen deze vergelijkingen geen symmetrie op aan de ruimtetijd, maar het standaardmodel (waarvan ze deel uitmaken) accepteert homogeniteit als een soort gegeven.
Deze oplossingen staan bekend als de Bianchi-modellen, die eind 19e eeuw door de Italiaanse wiskundige Luigi Bianchi werden voorgesteld. Deze algebraïsche theorieën, die kunnen worden toegepast op driedimensionale ruimtetijd, worden verkregen door minder restrictief te zijn, en maken dus een universum mogelijk dat anisotroop is.
Aan de andere kant heeft het onderzoek van Saadeh, Feeney en hun collega's aangetoond dat een van de belangrijkste veronderstellingen waarop onze huidige kosmologische modellen rusten inderdaad juist is. Daarmee hebben ze ook het broodnodige gevoel van dichter bij een langetermijndebat gebracht.
"In de afgelopen tien jaar is er veel discussie geweest over de vraag of er tekenen waren van grootschalige anisotropie op de loer in de CMB", zei Saadeh. 'Als het heelal anisotroop zou zijn, zouden we veel van onze berekeningen over zijn geschiedenis en inhoud moeten herzien. Hoogwaardige gegevens van Planck gaven een gouden kans om deze gezondheidscontrole uit te voeren op het standaardmodel van de kosmologie en het goede nieuws is dat het veilig is. ”
Dus de volgende keer dat je merkt dat je omhoog kijkt naar de nachtelijke hemel, bedenk dan ... dat is een luxe die je alleen hebt terwijl je op aarde staat. Daarbuiten is het een heel ander balspel! Dus geniet van dit ding dat we "richting" noemen wanneer en waar je kunt.
Bekijk ook zeker deze animatie van het UCL-team, die de CMB-gegevens van de Planck-missie illustreert:
