Der kan være revner i universet – men vi kan ikke se dem fra Jorden


Der kan være revner i rummet, men menneskehedens teleskoper kan ikke se dem.

Revnerne, hvis de findes, er gamle – rester af en tid kort efter Big Bang, da universet netop var skiftet fra en varmere, mere fremmed tilstand til den køligere, mere kendte, vi ser i dag. Den store afkøling, hvad fysikere kalder en "faseovergang", startede tidligere nogle steder end andre, går teorien. Bobler af køligere univers dannedes og spredte sig, og blomstrede over rummet, indtil de mødte andre bobler. Til sidst overgik hele rummet, og det gamle univers forsvandt.

Men den gamle tilstand med høj energi kunne have levet ved grænserne mellem boblerne, revner i rummet i rummet, hvor de afkølende regioner mødtes og ikke passede perfekt sammen. Nogle fysikere troede, at vi stadig kunne se beviser på disse revner eller mangler – kendt som "kosmiske strenge" – i kosmisk mikrobølgebakgrund (CMB), varmen, der er tilbage fra universets voldelige fremkomst. Men ifølge et nyt papir, ville beviserne simpelthen være for svage til, at ethvert teleskop nogensinde kan plukke op mod støjen.

Relaterede: Fra Big Bang til nutid: Snapshots af vores univers gennem tid

Kosmiske strenge er vanskelige objekter at forestille sig, sagde Oscar Hernández, en fysiker ved McGill University i Montreal og medforfatter til avisen. Men de har analoger i vores verden.

"Har du gået på en frosset sø? Har du bemærket revner, der snøres gennem den frosne søis? Det er stadig ret solidt. Der er intet at være bange for, men der er revner," fortalte Hernández til Live Science

Disse revner dannes gennem en lignende faseovergangsproces som kosmiske strenge.

”Is er vand, der har gennemgået en faseovergang,” sagde han. "Molekyler med vand var frie til at bevæge sig som en væske, og pludselig begynder de pludselig at formes til en krystal.… Det begynder at flise sig op i fliser, som (ofte) er hexagoner. Forestil dig nu at have fliser der er perfekte sekskanter og flisebelægning (søen) med det. Hvis nogen i den anden ende af søen begynder at flise (det) igen, ”er der stort set nul-chance for, at dine fliser vil stille op.

Ufuldkomne mødesteder på en frosset søoverflade danner lange revner. I stoffet, hvor rum og tid skærer hinanden, danner de kosmiske strenge – hvis den underliggende fysik er korrekt.

I rummet, mener forskere, er der felter, der bestemmer opførelsen af ​​grundlæggende kræfter og partikler. Den første faseovergange af universet bragte disse felter til.

"Der kan være et felt, der vedrører en eller anden partikel, der på en eller anden måde skal 'vælge en retning for at fryse og køle ned.' Og da universet er virkelig stort, kunne det vælge forskellige retninger i forskellige dele af universet, ”sagde han. "Nu, hvis dette felt adlyder visse betingelser … så når universet er kølet af, vil der være linjer med diskontinuitet, vil der være energilinjer, der ikke kan køle ned."

I dag ser disse mødepunkter ud som uendeligt tynde linjer med energi gennem rummet.

At finde disse kosmiske strenge ville være en stor aftale, fordi det ville være et andet bevis på, at fysik er større og mere kompliceret, end den nuværende model tillader, sagde Hernández.

Lige nu er den mest avancerede teori om partikelfysik, som forskere mener er blevet endeligt bevist, kendt som standardmodellen. Det inkluderer kvarkerne og elektronerne, der udgør atomer, såvel som mere eksotiske partikler som Higgs boson og neutrinoer.

De fleste fysikere mener dog, at standardmodellen er ufuldstændig. Som Live Science har rapporteret tidligere, er der alle mulige ideer til, hvordan man kan udvide sig fra det, fra supersymmetriske partikler (dvs. "stau slepton") til superstringsteori – ideen om, at alle partikler og kræfter kan forklares som vibrationer af små , multidimensionelle "strenge." (Bemærk: "Strenge" i superstringsteorien er ikke den samme slags ting som kosmiske "strenge." Der er kun så mange metaforer tilgængelige, og nogle gange genanvender fysikere i forskellige felter en.)

"Mange udvidelser af standardmodellen, som folk virkelig kan lide – ligesom en masse superstrerende teorier og andre – fører naturligvis til kosmiske strenge efter (efter Big Bang) inflation finder sted," sagde Hernández. "Så hvad vi har, er et objekt, der er forudsagt af meget mange modeller, så hvis de ikke eksisterer, er alle disse modeller udelukket. Og hvis de findes, åh herregud, er folk glade."

Siden 2017 har der været en interesse i at forsøge at få øje på strenge i CMB, skrev Hernández og hans medforfatter i deres papir, der blev offentliggjort 18. november til arXiv-databasen og endnu ikke peer-review.

Hernández sammen med Razvan Ciuca fra Marianopolis College i Westmount, Quebec, havde tidligere argumenteret for, at et indviklet neuralt netværk – en kraftig type mønster-find software – ville være det bedste redskab til at opdage beviser for strengene i CMB.

Under antagelse af et perfekt, støjfrit kort over CMB, skrev de i et separat papir fra 2017, en computer, der kører den slags neurale netværk, skal være i stand til at finde kosmiske strenge, selvom deres energiniveau (eller "spænding") er bemærkelsesværdigt lavt.

Men gennem revision af emnet i dette nye papir fra 2019 viste de, at det i virkeligheden næsten helt sikkert er umuligt at levere rene nok CMB-data til det neurale netværk til at registrere disse potentielle strenge. Andre, lysere mikroovnkilder skjuver CMB og er vanskelige at fjerne forskellen fuldstændigt. Selv de bedste mikrobølgeinstrumenter er ufuldkomne med begrænset opløsning og tilfældige udsving i deres optagelsesnøjagtighed fra en pixel til den næste. Alle disse faktorer og mere, fandt de, tilføjer op til et niveau af informationstab, som ingen nuværende eller planlagt metode til registrering og analyse af CMB nogensinde vil være i stand til at overvinde, skrev de. Denne metode til at jage kosmiske strenge er en blindgyde.

Det betyder dog ikke, at alt går tabt, skrev de.

En ny metode til jagt på kosmiske strenge er baseret på målinger af universets udvidelse i alle retninger på tværs af gamle dele af universet. Denne metode – kaldet 21 centimeter intensitetskortlægning – er ikke afhængig af at studere bevægelserne i individuelle galakser eller på præcise billeder af CMB, sagde Hernández. I stedet er det baseret på målinger af den hastighed, hvormed brintatomer bevæger sig væk fra Jorden i gennemsnit i alle dele af det dybe rum.

De bedste observatorier til kortlægning af 21 cm (så benævnt fordi brint udsender elektromagnetisk energi med en kendt bølgelængde på 21 cm) er endnu ikke online. Men når de ankommer, skrev forfatterne, er der håb om klarere bevis for kosmiske strenge i deres data. Og så, sagde Hernández, kan jakten begynde på ny.

Oprindeligt offentliggjort den Live videnskab.

Sådan fungerer det Banner

Vil du have mere videnskab? Få et abonnement på vores søsterpublikation "How It Works" magasin, for de seneste fantastiske videnskabsnyheder. (Billedkredit: Future plc)

Der kan være revner i rummet, men menneskehedens teleskoper kan ikke se dem.

Revnerne, hvis de findes, er gamle – rester af en tid kort efter Big Bang, da universet netop var skiftet fra en varmere, mere fremmed tilstand til den køligere, mere kendte, vi ser i dag. Den store afkøling, hvad fysikere kalder en "faseovergang", startede tidligere nogle steder end andre, går teorien. Bobler af køligere univers dannedes og spredte sig, og blomstrede over rummet, indtil de mødte andre bobler. Til sidst overgik hele rummet, og det gamle univers forsvandt.

Men den gamle tilstand med høj energi kunne have levet ved grænserne mellem boblerne, revner i rummet i rummet, hvor de afkølende regioner mødtes og ikke passede perfekt sammen. Nogle fysikere troede, at vi stadig kunne se beviser på disse revner eller mangler – kendt som "kosmiske strenge" – i den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB), varmen, der blev tilbage fra universets voldelige fremkomst. Men ifølge et nyt papir, ville beviserne simpelthen være for svage til, at ethvert teleskop nogensinde kan plukke op mod støjen.

Relaterede: Fra Big Bang til nutid: Snapshots af vores univers gennem tid

Kosmiske strenge er vanskelige objekter at forestille sig, sagde Oscar Hernández, en fysiker ved McGill University i Montreal og medforfatter til avisen. Men de har analoger i vores verden.

"Har du gået på en frosset sø? Har du bemærket revner, der snøres gennem den frosne søis? Det er stadig ret solidt. Der er intet at være bange for, men der er revner," fortalte Hernández til Live Science

Disse revner dannes gennem en lignende faseovergangsproces som kosmiske strenge.

”Is er vand, der har gennemgået en faseovergang,” sagde han. "Molekyler med vand var frie til at bevæge sig som en væske, og pludselig begynder de pludselig at formes til en krystal.… Det begynder at flise sig op i fliser, som (ofte) er hexagoner. Forestil dig nu at have fliser der er perfekte sekskanter og flisebelægning (søen) med det. Hvis nogen i den anden ende af søen begynder at flise (det) igen, ”er der stort set nul-chance for, at dine fliser vil stille op.

Ufuldkomne mødesteder på en frosset søoverflade danner lange revner. I stoffet, hvor rum og tid skærer hinanden, danner de kosmiske strenge – hvis den underliggende fysik er korrekt.

I rummet, mener forskere, er der felter, der bestemmer opførelsen af ​​grundlæggende kræfter og partikler. Den første faseovergange af universet bragte disse felter til.

"Der kan være et felt, der vedrører en eller anden partikel, der på en eller anden måde skal 'vælge en retning for at fryse og køle ned.' Og da universet er virkelig stort, kunne det vælge forskellige retninger i forskellige dele af universet, ”sagde han. "Nu, hvis dette felt adlyder visse betingelser … så når universet er kølet af, vil der være linjer med diskontinuitet, vil der være energilinjer, der ikke kan køle ned."

I dag ser disse mødepunkter ud som uendeligt tynde linjer med energi gennem rummet.

At finde disse kosmiske strenge ville være en stor aftale, fordi det ville være et andet bevis på, at fysik er større og mere kompliceret, end den nuværende model tillader, sagde Hernández.

Lige nu er den mest avancerede teori om partikelfysik, som forskere mener er blevet endeligt bevist, kendt som standardmodellen. Det inkluderer kvarkerne og elektronerne, der udgør atomer, såvel som mere eksotiske partikler som Higgs boson og neutrinoer.

De fleste fysikere mener dog, at standardmodellen er ufuldstændig. Som Live Science har rapporteret tidligere, er der alle mulige ideer til, hvordan man kan udvide sig fra det, fra supersymmetriske partikler (dvs. "stau slepton") til superstringsteori – ideen om, at alle partikler og kræfter kan forklares som vibrationer af små , multidimensionelle "strenge." (Bemærk: "Strenge" i superstringsteorien er ikke den samme slags ting som kosmiske "strenge." Der er kun så mange metaforer tilgængelige, og nogle gange genanvender fysikere i forskellige felter en.)

"Mange udvidelser af standardmodellen, som folk virkelig kan lide – ligesom en masse superstrerende teorier og andre – fører naturligvis til kosmiske strenge efter (efter Big Bang) inflation finder sted," sagde Hernández. "Så hvad vi har, er et objekt, der er forudsagt af meget mange modeller, så hvis de ikke eksisterer, er alle disse modeller udelukket. Og hvis de findes, åh herregud, er folk glade."

Siden 2017 har der været en stor interesse i at forsøge at få øje på strenge i CMB, skrev Hernández og hans medforfatter i deres papir, offentliggjort 18. november til arXiv-databasen og endnu ikke peer-review.

Hernández sammen med Razvan Ciuca fra Marianopolis College i Westmount, Quebec, havde tidligere argumenteret for, at et indviklet neuralt netværk – en kraftfuld type mønster-finde software – ville være det bedste redskab til at opdage beviser for strengene i CMB.

Under antagelse af et perfekt, støjfrit kort over CMB, skrev de i et separat papir fra 2017, en computer, der kører den slags neurale netværk, skal være i stand til at finde kosmiske strenge, selvom deres energiniveau (eller "spænding") er bemærkelsesværdigt lavt.

Men gennem revision af emnet i dette nye papir fra 2019 viste de, at det i virkeligheden næsten helt sikkert er umuligt at levere rene nok CMB-data til det neurale netværk til at registrere disse potentielle strenge. Andre, lysere mikroovnkilder skjuver CMB og er vanskelige at fjerne forskellen fuldstændigt. Selv de bedste mikrobølgeinstrumenter er ufuldkomne med begrænset opløsning og tilfældige udsving i deres optagelsesnøjagtighed fra en pixel til den næste. Alle disse faktorer og mere, fandt de, tilføjer op til et niveau af informationstab, som ingen nuværende eller planlagt metode til registrering og analyse af CMB nogensinde vil være i stand til at overvinde, skrev de. Denne metode til at jage kosmiske strenge er en blindgyde.

Det betyder dog ikke, at alt går tabt, skrev de.

En ny metode til jagt på kosmiske strenge er baseret på målinger af universets udvidelse i alle retninger på tværs af gamle dele af universet. Denne metode – kaldet 21 centimeter intensitetskortlægning – er ikke afhængig af at studere bevægelserne i individuelle galakser eller på præcise billeder af CMB, sagde Hernández. I stedet er det baseret på målinger af den hastighed, hvormed brintatomer bevæger sig væk fra Jorden i gennemsnit i alle dele af det dybe rum.

De bedste observatorier til kortlægning af 21 cm (så benævnt fordi brint udsender elektromagnetisk energi med en kendt bølgelængde på 21 cm) er endnu ikke online. Men når de ankommer, skrev forfatterne, er der håb om klarere bevis for kosmiske strenge i deres data. Og så, sagde Hernández, kan jakten begynde på ny.

Oprindeligt offentliggjort den Live videnskab.

Sådan fungerer det Banner

Vil du have mere videnskab? Få et abonnement på vores søsterpublikation "How It Works" magasin, for de seneste fantastiske videnskabsnyheder. (Billedkredit: Future plc)