I en ny studie i Physical Review Letters (PRL) undersöker forskare möjligheten av icke-triviala eller exotiska topologier i universum för att förklara några av de anomalier som ses i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB).
Vår kosmologiska modell av universum, som bygger på kvantmekanik och allmän relativitetsteori, behandlar universums geometri, som påverkas av materia och energi, och som för de flesta ändamål anses vara platt.
Det säger dock ingenting om själva universums topologi: Är det oändligt, har det slingor osv. PRL-studien fokuserar på denna aspekt av universum och huruvida nuvarande modeller och data tillåter förekomsten av dessa exotiska eller icke-triviala topologier.
Forskningen görs som en del av COMPACT-samarbetet som består av ett internationellt team av forskare. En av medförfattarna till studien, professor Glenn D. Starkman från Case Western Reserve University i Ohio, USA, berättade för Phys.org om teamets arbete.
Han motiverade sitt arbete med följande ord: ”Möjligheten att universum har en ’intressant’ topologi ligger helt inom ramen för vår fysikaliska standardmodell, men betraktas ändå vanligtvis som exotisk.”
”Jag har länge varit orolig för att vi skulle gå miste om en extraordinär upptäckt om vårt universum genom att bara titta åt andra hållet. Samtidigt finns det allt fler bevis för att universum inte är ’statistiskt isotropiskt’, dvs. att fysiken är densamma i alla riktningar. Topologi är ett mycket naturligt sätt för anisotropi att smyga sig in i vårt universum.”
Kosmisk mikrovågsbakgrund
CMB är en typ av strålning som hör till mikrovågsspektrumet. Den förutspåddes på 1940-talet som en rest av Big Bang och upptäcktes av en slump 1965.
Efter Big Bang, som är det sätt på vilket det nuvarande universum uppstod, fanns det inget annat än en soppa av fundamentala partiklar och gaser vid extremt höga temperaturer och tryck, ofta kallad ursoppa.
I takt med att universum expanderade kyldes det också ned. Detta ledde till att de fundamentala partiklarna förenades och bildade atomer. Fram till denna punkt interagerade fotoner med dessa fundamentala partiklar och spreds, vilket gjorde att de inte kunde färdas fritt. Men när atomer började bildas kunde fotonerna färdas mer fritt, cirka 380 000 år efter Big Bang.
Detta markerade spridningen av CMB, som betraktas som en ”efterglöd” av Big Bang. Det innehåller viktig information om det tidiga universum och de efterföljande processer som ledde till bildandet av storskaliga strukturer som stjärnor och galaxer.
CMB finns överallt och har för det mesta en enhetlig temperatur. Det finns dock små fluktuationer och anomalier i CMB-data som inte har förklarats.
Forskarna i PRL-studien föreslår att dessa fluktuationer och anomalier i CMB-mätningarna kan förklaras genom att ta hänsyn till icke-triviala topologier i universum, vilket innebär att vi inte behöver se på det som ”platt”.
Kosmisk topologi
Topologi är en gren av matematiken som handlar om objektens form och struktur. Topologins regler skiljer sig ganska mycket från geometrins regler. Även om geometri och topologi är distinkta begrepp påverkar geometrin topologin.
Geometri definierar hur rymden är krökt (rumtiden anses vara platt i små skalor), och topologi definierar den övergripande konnektiviteten i rymden.
Om vi skulle ha en platt rymd kan vi inte ha topologier där rymden kröker sig inåt eller har slingor. Det innebär att vi för att resa mellan två punkter måste ta en rak väg utan några omvägar eller slingor.
Prof. Starkman förklarar: ”Universum kan vara som ett gammalt videospel, där man lämnar höger sida av skärmen och dyker upp från vänster, så att man kan ta sig tillbaka till utgångspunkten via en rak väg. Detta kallas att vara multipelt ansluten.”
I grund och botten antyder den rätlinjiga vägen att trots att det ser ut som en kontinuerlig rörelse, möjliggör den underliggande topologin i rymden oväntade kopplingar, där det som verkar vara en linjär bana faktiskt kan slingra sig tillbaka på sig själv.
Cirklar med matchande temperatur
Om universum skulle vara ”multipelt sammankopplat” (d.v.s. ha en icke-trivial topologi) skulle vi observera matchande temperaturcirklar. Detta beror på att ljus som färdas från en källa (t.ex. en stjärna) kan färdas längs två olika vägar och nå observatören (jorden) från två håll.
Detta lämnar efter sig liknande temperaturfluktuationer på en CMB-karta (eller värmekarta), vilket resulterar i matchande temperaturcirklar. Det har dock inte funnits några bevis som tyder på att dessa matchande temperaturcirklar finns.
”Avsaknaden av matchade temperaturcirklar är det som säger oss något om längden på den kortaste slutna slingan genom oss, men det säger oss inget om längden på slingor genom andra platser”, säger Prof. Starkman.
Avsaknaden av matchade temperaturcirklar i CMB-data tyder på att om det finns en icke-trivial topologi måste de slingor som passerar genom vår plats (jorden) vara relativt små.
Detta sätter en gräns för längden på dessa slingor. Prof. Starkman förklarade: ”Om CMB-anomalierna beror på kosmisk topologi bör längden på de kortaste slingorna genom oss inte vara mer än cirka 20-30% längre än diametern på den sista spridningsytan – en sfär med en radie som är lika med den sträcka som ljuset har färdats under universums historia.”
Framtida begränsningar och sökningar
Mot bakgrund av ovanstående begränsning och sökandet efter icke-trivial topologi föreslår forskarna ytterligare sätt att upptäcka sådan topologi i framtiden.
De nämner särskilt förändringar i de statistiska mönstren för temperaturfluktuationer i CMB-data samt i universums storskaliga struktur. Dessa fluktuationer eller växlingar skulle komma i dagen om det fanns en icke-trivial topologi.
Men dessa upptäckter kräver enorm beräkningskraft och forskarna föreslår att man använder maskininlärningsalgoritmer för att påskynda beräkningarna och utnyttja CMB-data för att upptäcka icke-trivial topologi.
”Sökandet efter topologi kommer att återupptas efter en tio år lång paus. Förhoppningsvis kommer vi att upptäcka kosmisk topologi och därmed förstå ursprunget till anisotropin i vårt universum och få en inblick i de processer som ligger bakom universums ursprungliga uppkomst”, avslutar Starkman.
Studien visar också att även om det inte finns några explicit matchade cirklar så indikerar förekomsten av statistisk anisotropi (eller anomalier) i CMB att det kan finnas detekterbar information om universums struktur och topologi.
Ytterligare information: Yashar Akrami et al, Promise of Future Searches for Cosmic Topology, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.171501
