Astrophysiker behaupten, unser Universum könnte tatsächlich ein riesiger 3D-Donut sein
Astrophysiker behaupten, unser Universum könnte tatsächlich ein riesiger 3D-Donut sein
Anonim

Stellen Sie sich ein Universum vor, in dem Sie ein Raumschiff in eine Richtung richten und schließlich dorthin zurückkehren können, wo Sie angefangen haben. Wäre unser Universum klein, dann wären solche Bewegungen möglich und Physiker könnten sein Volumen messen.

"Wir könnten sagen: Wir kennen jetzt die Größe des Universums", sagte der Astrophysiker Thomas Buchert von der Universität Lyon, Zentrum für Astrophysikalische Forschung in Frankreich, gegenüber Live Science.

Bei der Untersuchung von Licht aus dem frühesten Universum kamen Buchert und eine Gruppe von Astrophysikern zu dem Schluss, dass unser Kosmos mehrfach verbunden sein kann, dh der Raum ist in allen drei Dimensionen in sich geschlossen, wie ein dreidimensionaler Donut.

Ein solches Universum wäre endlich, und nach ihren Ergebnissen könnte unser gesamter Kosmos nur drei- bis viermal größer sein als die Grenzen des beobachtbaren Universums, das etwa 45 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.

Physiker verwenden die Sprache von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, um das Universum zu erklären. Diese Sprache verbindet den Inhalt der Raumzeit mit den Krümmungen und Krümmungen der Raumzeit, die diesen Inhalten dann sagen, wie sie interagieren sollen. So spüren wir die Schwerkraft.

Im kosmologischen Kontext verbindet diese Sprache die Inhalte des gesamten Universums – dunkle Materie, dunkle Energie, gewöhnliche Materie, Strahlung und alles andere – mit ihrer allgemeinen geometrischen Form.

Seit Jahrzehnten diskutieren Astronomen über die Natur dieser Form: ob unser Universum "flach" ist (was bedeutet, dass imaginäre parallele Linien immer parallel bleiben), "geschlossen" (parallele Linien werden sich irgendwann schneiden) oder "offen" (diese Linien werden sich divergieren).

Diese Geometrie des Universums bestimmt sein Schicksal. Flache und offene Universen werden sich für immer ausdehnen, während ein geschlossenes Universum irgendwann von selbst zusammenbricht.

Zahlreiche Beobachtungen, insbesondere des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (ein Lichtblitz, der auftrat, als unser Universum erst 380.000 Jahre alt war) haben fest bestätigt, dass wir in einem flachen Universum leben. Parallele Linien bleiben parallel und unser Universum wird sich weiter ausdehnen.

Aber Form ist nicht nur Geometrie. Es gibt auch eine Topologie, dh wie sich die Form ändern kann, während die gleichen geometrischen Regeln beibehalten werden.

Nehmen wir zum Beispiel ein flaches Blatt Papier. Es ist offensichtlich flach - parallele Linien bleiben parallel. Nehmen Sie nun die beiden Kanten dieses Papiers und rollen Sie es zu einem Zylinder. Diese parallelen Linien sind immer noch parallel: Die Zylinder sind geometrisch flach. Nehmen Sie nun die gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Papiers und fügen Sie sie zusammen. Das Ergebnis ist eine Donut-Form, die auch geometrisch flach ist.

Während unsere Messungen des Inhalts und der Form des Universums uns etwas über seine Geometrie sagen – es ist flach – sagen sie uns nichts über die Topologie. Sie sagen uns nicht, ob unser Universum mehrfach verbunden ist, was bedeutet, dass eine oder mehrere Dimensionen unseres Kosmos miteinander verbunden sind.

Während sich ein perfekt flaches Universum bis ins Unendliche erstrecken würde, hätte ein flaches Universum mit einer mehrfach verbundenen Topologie eine endliche Größe. Wenn wir irgendwie feststellen könnten, dass sich eine oder mehrere Dimensionen in sich selbst verdrehen, dann wüssten wir, dass das Universum in dieser Dimension endlich ist. Wir könnten diese Beobachtungen dann verwenden, um das Gesamtvolumen des Universums zu messen.

Eine Gruppe von Astrophysikern der Universität Ulm in Deutschland und der Universität Lyon in Frankreich hat auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) aufmerksam gemacht. Als die CMB empfangen wurde, war unser Universum millionenfach kleiner als heute, und wenn unser Universum wirklich mehrfach verbunden ist, dann war die Wahrscheinlichkeit, dass es innerhalb der beobachtbaren Grenzen des Kosmos mit sich selbst zusammenbricht, viel höher.

Heutzutage ist es aufgrund der Expansion des Universums viel wahrscheinlicher, dass eine Faltung außerhalb der beobachteten Grenzen stattfindet, und daher wird es viel schwieriger sein, die Faltung zu erkennen. Die Beobachtung des MGB gibt uns die besten Chancen, die Abdrücke eines mehrfach verbundenen Universums zu sehen.

Besonderes Augenmerk richtete das Forschungsteam auf Störungen – ein phantastischer physikalischer Begriff für Unebenheiten und Vibrationen – in der CMB-Temperatur. Wenn eine oder mehrere Dimensionen unseres Universums miteinander verbunden sind, können die Störungen nicht größer sein als der Abstand um diese Schleifen. Sie würden einfach nicht passen.

„Im unendlichen Raum existieren Störungen der CMB-Strahlungstemperatur auf allen Skalen“, erklärt Buchert.

Mit anderen Worten: Es gibt eine maximale Störungsgröße, die die Topologie des Universums enthüllen kann.

Auf VSBM-Karten, die von Satelliten wie dem WMAP der NASA und dem Planck der ESA erstellt wurden, wurde bereits eine faszinierende Anzahl von großräumigen, fehlenden Störungen gefunden. Buchert und seine Kollegen untersuchten, ob diese fehlenden Störungen durch ein mehrfach verbundenes Universum verursacht werden könnten.

Dazu führte das Team Dutzende von Computersimulationen durch, wie die MDB aussehen würde, wenn das Universum ein Tri-Torus wäre – der mathematische Name für einen riesigen dreidimensionalen Donut, in dem unser Kosmos in allen drei Dimensionen mit sich selbst verbunden ist.

„Daher müssen wir in dieser Topologie simulieren und mit dem Beobachteten vergleichen“, erklärt Buchert. "Die Eigenschaften der beobachteten CMB-Fluktuationen zeigen 'fehlende Leistung' in Skalen, die größer als die Größe des Universums sind."

Der Mangel an Leistung bedeutet, dass Schwankungen im CMB in diesen Größenordnungen nicht vorhanden sind. Dies würde bedeuten, dass unser Universum auf solchen Skalen mehrfach verbunden und endlich ist.

„Wir finden eine viel bessere Anpassung an die beobachteten Schwankungen im Vergleich zum kosmologischen Standardmodell, das als unendlich gilt“, fügte er hinzu.

"Wir können die Größe des Raums variieren und diese Analyse wiederholen. Als Ergebnis erhalten wir die optimale Größe des Universums, die am besten zu den CMB-Beobachtungen passt. Die Antwort aus unserer Arbeit ist eindeutig: Ein endliches Universum passt besser zu Beobachtungen als ein unendliches Modell." Wir können sagen: Jetzt kennen wir die Größe des Universums".

Das Team fand heraus, dass ein mehrfach verbundenes Universum, das etwa drei- bis viermal größer als unsere beobachtete Blase ist, am besten zu den CMB-Daten passt. Während dieses Ergebnis technisch bedeutet, dass Sie in eine Richtung reisen und dort landen können, wo Sie angefangen haben, ist dies in Wirklichkeit nicht möglich.

Wir leben in einem sich ausdehnenden Universum, und im großen Maßstab dehnt sich das Universum schneller als die Lichtgeschwindigkeit aus, sodass Sie den Kreislauf nie einholen und beenden können.

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