Hunter
Egy másik univerzum lenyomatát észlelték?
Augusztusban jelentették be rádiócsillagászok, hogy egy hatalmas lyukra bukkantak a világegyetemben.
A közel egymilliárd fényév átmérőjű űr az Eridánusz csillagképben húzódik és a megszokottnál jóval kevesebb csillaggal, gázzal és galaxissal rendelkezik. Méreteit tekintve nagyobb, mint bárki gondolta volna, jóval meghaladja jelenlegi kozmológiai ismereteinket.
Mi okozhat egy ekkora tátongó lyukat? Egy fizikus csapat egyesek számára lélegzetelállító, másoknak utópisztikus spekulációnak tűnő magyarázattal állt elő: "Ez egy másik univerzum összetéveszthetetlen lenyomata" - hangoztatta Laura Mersini-Houghton, az Észak-Karolina Állami Egyetem fizikusa. A kijelentés rendkívül merész, azonban ha igaz, akkor ez a hatalmas üresség az első gyakorlati bizonyíték arra, hogy több univerzum is létezik, emellett alaposan megtámogatná a húrelméletet, amire már igen nagy szüksége lenne a többek által halottnak nevezett részecskefizikai modellnek.
A tátongó lyuk először az ősrobbanás utófénylés-térképein tűnt fel, amit a NASA WMAP műholdja készített 2004-ben. A WMAP csapat egy abnormálisan nagy hideg foltot észlelt, ahol a hőmérséklet 20-45%-kal alacsonyabb, mint az égbolt többi részének átlaga. Mivel a kozmikus háttérsugárzás fotonjai a területen áthaladva az anyaggal találkozva nyerik energiájukat, minél több anyag kerül az útjukba, annál magasabb a hőmérsékletük. Tehát egy hideg folt észlelése annyit jelent, hogy a területen minimális anyag található.
A folt, ha látható lenne a Földről, területe a teli hold által elfoglaltnak többszöröse lenne az égen. Pontos méretét először még nem sikerült meghatározni, mivel nem ismerték a távolságát. Ezen a Sloan Digital Survey által a galaxisokról elkészített eddigi legnagyobb 3D-s térkép elemzése változtatott, és a galaxisok távolságának ismeretében már be tudták határolni a hatalmas ürességet Ez körülbelül 900 millió fényévre tehető és tőlünk 8 milliárd fényévre helyezkedik el. Ezt erősítette meg augusztusban a Minnesota Egyetem csapata, akik a VLA rádió-galaxisokról begyűjtött adatait tanulmányozták.
A világegyetem csupán 5%-a tartalmaz galaxishalmazokat, a többi 95% rejtélyes üresség. Túlnyomó részben kis lyukak léteznek, a nagyobbak előfordulása méretükkel fordított arányban van. Éppen ezért senki sem számított egy 900 millió fényéves példányra, ez már olyan méret, ami megmagyarázhatatlan a standard kozmológiával.
A legelfogadottabb elméletek szerint a galaxishalmazok és az üres foltok magvai nem sokkal az ősrobbanás után szóródtak szét, amikor a világegyetem kvantum fluktuációk hömpölygő vákuuma volt, amit azután felnagyított a felfúvódás elnevezésű villámgyors tágulás. A fluktuációk bármilyen méretben előfordulhatnak, a nagyok azonban ritkák, ami pedig egy ilyen méretű üres területhez vezet az rendkívül valószínűtlen. Vannak még magyarázatok a WMAP hideg foltjára, például egyes kutatók spekulációja szerint egy hatalmas űrbeli csomónak, egy topológiai hibának köszönhető, a Mersini-Houghton csapat elmélete azonban sokkal izgalmasabb és ha sikerülne bizonyítani, óriási jelentőséggel bírna.
A fizikus hölgy kollégáival egy olyan magyarázatot keresett, ami kívül esik a standard kozmológián, így a húrelmélethez fordult. A húrelmélet jó eséllyel pályázik a fizika törvényeit egyetlen egészbe foglaló "egységes elmélet" címre, ami megmagyarázná az összes anyag és energia viselkedését. Az elmélet szerint az anyag építőelemei, mint a kvarkok és leptonok parányi tömeg-energia húrok, melyek egy 10 dimenziós térben rezegnek. A húrelmélet esztétikailag sokkal tetszetősebb az antropológiai vitáknál, melyek szerint az univerzum bizonyos aspektusai, mint a fizika törvényeit jellemző konstansok azért vannak, mert máskülönben nem lennénk itt, hogy rájuk csodálkozhassunk.
A húrelmélet nem egyetlen univerzumot ír le, hanem 10 az ötszázadikont, melyek mindegyike egy-egy különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkező kvantum-vákuum. A kvantum-vákuumok aktív terek: a világegyetemek összes anyaga a vákuumokból jött létre, miközben a vákuumok egy alacsonyabb energiaszintre estek vissza. A közben felszabaduló energiából keletkeztek az elemi részecskék, ezekből a galaxisok és minden más amit ma láthatunk. A mi univerzumunk fő jellemvonása a mérete, a többi elméletileg jóval kisebb lehet. De miért pont a mi univerzumunk nőtt ilyen hatalmasra?
"Miért a mi vákuumunk választatott ki a szinte megszámlálhatatlan vákuum közül?" - tette fel a kérdést Mersini-Houghton, aki meg van győződve, hogy lennie kell egy módszernek, amivel lecsökkenthető a húr vákuumok serege. Kollégáival úgy véli, hogy az anyagnak és a gravitációnak van valamilyen dinamikus hatása, mellyel a vákuumok száma lefaragható egy kis csoportra, ami végeredményben a mi univerzumunkat és közvetlen szomszédait foglalja magába.
A húrelmélet szerint minden univerzumban más körülmények uralkodnak, a szomszédos vákuumok pedig kölcsönhatásba léphetnek egymással. Ha egy vákuum-folt olyan univerzumot eredményez mint a miénk, melynél a legfontosabb, hogy nagyra kell nőnie, akkor valaminek ellen kell szegülnie a gravitációval, ami hajlamos összehúzni a vákuum tömegenergiáját és lekicsinyíteni azt. Ez a valami pedig csak maga a vákuum lehet. Ha a vákuum roppant méretű negatív nyomást fejt ki, Einstein relativitás elmélete szerint taszító gravitációt kapunk. Ehhez egy olyan vákuum-foltra volt szükség, ami taszítja a gravitációt, ezt pedig univerzumunk létezésének első másodperc töredékében szerezhettük meg, a felfúvódás során, magyarázta Mersini-Houghton.
Számításai szerint a mi univerzumunkhoz vezető vákuum-folt nagyon hamar kölcsönhatásba került a szomszédos foltokkal. Mivel ezek a kölcsönhatások parányi kvantum vákuum-foltok között alakultak ki, ezért egy összefonódott állapotban hagyták az univerzumokat, olyan kapcsolatot hozva létre közöttük, ami képessé teszi őket egymás egész távolról történő érzékelésére is. Ez az állapot végleg fennmarad, így bár a felfúvódás gyorsan kitolta területünket a szomszédos univerzumok vonzásából, ma is nyomának kell lenni a kvantum összefonódásnak.
A kérdés, hogy hol és milyen formában keressük ezt a nyomot? A világegyetem tágulása miatt a kozmikus horizonton, körülbelül 42 milliárd fényéven túlról sem fény, sem jelek nem jutnak el hozzánk. Ezen a távolságon belül a galaxis formálódások zajos folyamata gyakorlatilag minden nyomot elsöpört univerzumunk és szomszédai kölcsönhatásáról. Ennek ellenére olyan méreteken, ami csak a kozmikus horizonttal vethető össze, maradnia kellett egy lenyomatnak abból az időből, ami legközelebb áll a felfúvódás beindulásához, ekkor kellett ugyanis végbemennie a terjeszkedést elősegítő kölcsönhatásnak.
A szomszédos foltok vákuumai nyomást gyakoroltak univerzumunkra, állítja Mersini-Houghton és Richard Holman, a Carnegie Mellon Egyetem fizikusa. A relativitás szerint egy ilyen összepréselés taszító gravitációt eredményez, ez pedig a világegyetem méreteit tekintve elvékonyítja az anyagot, megnehezítve a galaxisok kialakulását. "Becslésünk szerint ennek egy 500 millió fényéves űrt kell eredményeznie" - összegzett Mersin-Houghton, ami a vörös eltolódás figyelembe vételével ez egész jól illeszkedik a 900 millió fényév átmérőről szóló csillagászati megfigyelésekhez.
Mersini-Houghton és Holman a japán Saga Egyetem tudósa, Tomo Takahasi segítségével még ennél is tovább jutott. Eredményeik szerint kell lennie még egy ilyen hatalmas űrnek. A már ismert hideg folt az északi féltekén található, a másiknak ennek megfelelően a délin kell elhelyezkednie, így a kutatók nagyon remélik, hogy hamarosan ez utóbbi is előtűnik majd.
A dolgozatnak- mint várni lehetett - elég vegyes fogadtatása volt. Abban mindenki egyetértett ugyan, hogy egy rendkívül érdekes elméletet kaptak, a többség szerint azonban mindez rendkívül spekulatív. A dolog szépsége azonban, hogy hamarosan le lehet tesztelni, ami vagy alátámasztja, vagy teljes egészében romba dönti az eddig leírtakat. A standard kozmológiában az ősrobbanás sugárzásának hőmérsékletbeli változásai az anyag eloszlásának közvetlen következményei, ebből következik, hogy a galaxisok sémájának egy az egyben meg kell egyeznie az ősrobbanás sugárzásában észlelt hőmérsékleti jegyekkel. Mersini-Houghton szerint ez egyáltalán nem így lesz, munkájuk ugyanis azt mutatja, hogy az univerzumok között fennálló összefonódás megváltoztatja az anyagsűrűséget. Ha igazuk van, akkor a kölcsönhatás nyomai észlelhetők lesznek a megfigyeléseken is. "Szerintünk az anyag és a hőmérséklet közötti hasonlóság jóval 100% alá fog esni" - jegyezte meg a fizikus.
Az eredményeket az ESA 2008-ban induló Planck mikrohullámú háttér szondája fogja leszállítani, ami további megerősítést adhat a hideg foltnak és fokozza a WMAP térkép pontosságát. A Planck azonban nem az egyedüli döntőbíró, Holmanék teóriája kiütközhet a szintén jövőre üzembe helyezendő Large Hadron Collider (LHC) részecskegyorsító kísérleteiből is. Számos részecskefizikus meggyőződése, hogy az LHC szolgáltatja majd a szuperszimmetria első kísérleti bizonyítékait.
Ez az elmélet azt tartja, hogy minden ismert részecskének van egy nehezebb szuperpárja, azonban a jelenleg működő részecskegyorsítók egyike sem rendelkezett akkora energiával, hogy szuperszimmetrikus részecskéket hozzon létre. Az LHC azonban elég erős lesz ahhoz, hogy tűzlabdáival felidézze a korai univerzumban uralkodó körülményeket. Elvileg megfigyelhetővé válik mi történt, amikor az univerzum egy bizonyos hőmérséklet alá hűlt és olyan állapotváltás ment végbe, ami megtörte a szuperszimmetriát.
A húrmodellek szerint az állapotváltás során felszabadult energia vezetett a felfúvódáshoz, és folytatódott a szuperszimmetrikus részecskék kialakulása. Mivel az energiának elégnek kellett lennie a mi vákuum-darabunk növekedésének biztosításához, ezért Mersini-Houghton és munkatársai meg tudják becsülni a szuperszimmetria megtöréshez szükséges energia méretét. "Szerintünk ez százezerszer nagyobb, mint általánosan hisszük, ezért úgy véljük, hogy az LHC nem fog szuperszimmetriát észlelni" - mondta.
A húrelméletnek igen jól jönne, ha a Mersini-Houghton csapat jóslatai beválnának. Amikor először tették közzé a WMAP adatait a kozmológusok a standard modell megerősítéseként értékelték. Akkor még senki sem gondolta, hogy anomáliák is elő fognak fordulni, és azok a feje tetejére állíthatják a modellt. Ami ennél is rosszabb, az utóbbi években egyre több fizikus fordított hátat a húrelméletnek, egyesek halottnak nevezték az egész elvet. "Úgy vélem bizonyítékaink azt mutatják, hogy a húrelmélet jó úton jár" - jelentette ki Mersini-Houghton, aki szerint a hatalmas üres folt felfedezése újjáélesztette a teóriát.
A közel egymilliárd fényév átmérőjű űr az Eridánusz csillagképben húzódik és a megszokottnál jóval kevesebb csillaggal, gázzal és galaxissal rendelkezik. Méreteit tekintve nagyobb, mint bárki gondolta volna, jóval meghaladja jelenlegi kozmológiai ismereteinket.
Mi okozhat egy ekkora tátongó lyukat? Egy fizikus csapat egyesek számára lélegzetelállító, másoknak utópisztikus spekulációnak tűnő magyarázattal állt elő: "Ez egy másik univerzum összetéveszthetetlen lenyomata" - hangoztatta Laura Mersini-Houghton, az Észak-Karolina Állami Egyetem fizikusa. A kijelentés rendkívül merész, azonban ha igaz, akkor ez a hatalmas üresség az első gyakorlati bizonyíték arra, hogy több univerzum is létezik, emellett alaposan megtámogatná a húrelméletet, amire már igen nagy szüksége lenne a többek által halottnak nevezett részecskefizikai modellnek.
 Felül a WMAP, alul a VLA felvétele a hideg foltról |
A folt, ha látható lenne a Földről, területe a teli hold által elfoglaltnak többszöröse lenne az égen. Pontos méretét először még nem sikerült meghatározni, mivel nem ismerték a távolságát. Ezen a Sloan Digital Survey által a galaxisokról elkészített eddigi legnagyobb 3D-s térkép elemzése változtatott, és a galaxisok távolságának ismeretében már be tudták határolni a hatalmas ürességet Ez körülbelül 900 millió fényévre tehető és tőlünk 8 milliárd fényévre helyezkedik el. Ezt erősítette meg augusztusban a Minnesota Egyetem csapata, akik a VLA rádió-galaxisokról begyűjtött adatait tanulmányozták.
A világegyetem csupán 5%-a tartalmaz galaxishalmazokat, a többi 95% rejtélyes üresség. Túlnyomó részben kis lyukak léteznek, a nagyobbak előfordulása méretükkel fordított arányban van. Éppen ezért senki sem számított egy 900 millió fényéves példányra, ez már olyan méret, ami megmagyarázhatatlan a standard kozmológiával.
A legelfogadottabb elméletek szerint a galaxishalmazok és az üres foltok magvai nem sokkal az ősrobbanás után szóródtak szét, amikor a világegyetem kvantum fluktuációk hömpölygő vákuuma volt, amit azután felnagyított a felfúvódás elnevezésű villámgyors tágulás. A fluktuációk bármilyen méretben előfordulhatnak, a nagyok azonban ritkák, ami pedig egy ilyen méretű üres területhez vezet az rendkívül valószínűtlen. Vannak még magyarázatok a WMAP hideg foltjára, például egyes kutatók spekulációja szerint egy hatalmas űrbeli csomónak, egy topológiai hibának köszönhető, a Mersini-Houghton csapat elmélete azonban sokkal izgalmasabb és ha sikerülne bizonyítani, óriási jelentőséggel bírna.
A fizikus hölgy kollégáival egy olyan magyarázatot keresett, ami kívül esik a standard kozmológián, így a húrelmélethez fordult. A húrelmélet jó eséllyel pályázik a fizika törvényeit egyetlen egészbe foglaló "egységes elmélet" címre, ami megmagyarázná az összes anyag és energia viselkedését. Az elmélet szerint az anyag építőelemei, mint a kvarkok és leptonok parányi tömeg-energia húrok, melyek egy 10 dimenziós térben rezegnek. A húrelmélet esztétikailag sokkal tetszetősebb az antropológiai vitáknál, melyek szerint az univerzum bizonyos aspektusai, mint a fizika törvényeit jellemző konstansok azért vannak, mert máskülönben nem lennénk itt, hogy rájuk csodálkozhassunk. A húrelmélet nem egyetlen univerzumot ír le, hanem 10 az ötszázadikont, melyek mindegyike egy-egy különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkező kvantum-vákuum. A kvantum-vákuumok aktív terek: a világegyetemek összes anyaga a vákuumokból jött létre, miközben a vákuumok egy alacsonyabb energiaszintre estek vissza. A közben felszabaduló energiából keletkeztek az elemi részecskék, ezekből a galaxisok és minden más amit ma láthatunk. A mi univerzumunk fő jellemvonása a mérete, a többi elméletileg jóval kisebb lehet. De miért pont a mi univerzumunk nőtt ilyen hatalmasra?
"Miért a mi vákuumunk választatott ki a szinte megszámlálhatatlan vákuum közül?" - tette fel a kérdést Mersini-Houghton, aki meg van győződve, hogy lennie kell egy módszernek, amivel lecsökkenthető a húr vákuumok serege. Kollégáival úgy véli, hogy az anyagnak és a gravitációnak van valamilyen dinamikus hatása, mellyel a vákuumok száma lefaragható egy kis csoportra, ami végeredményben a mi univerzumunkat és közvetlen szomszédait foglalja magába.
A húrelmélet szerint minden univerzumban más körülmények uralkodnak, a szomszédos vákuumok pedig kölcsönhatásba léphetnek egymással. Ha egy vákuum-folt olyan univerzumot eredményez mint a miénk, melynél a legfontosabb, hogy nagyra kell nőnie, akkor valaminek ellen kell szegülnie a gravitációval, ami hajlamos összehúzni a vákuum tömegenergiáját és lekicsinyíteni azt. Ez a valami pedig csak maga a vákuum lehet. Ha a vákuum roppant méretű negatív nyomást fejt ki, Einstein relativitás elmélete szerint taszító gravitációt kapunk. Ehhez egy olyan vákuum-foltra volt szükség, ami taszítja a gravitációt, ezt pedig univerzumunk létezésének első másodperc töredékében szerezhettük meg, a felfúvódás során, magyarázta Mersini-Houghton.
Számításai szerint a mi univerzumunkhoz vezető vákuum-folt nagyon hamar kölcsönhatásba került a szomszédos foltokkal. Mivel ezek a kölcsönhatások parányi kvantum vákuum-foltok között alakultak ki, ezért egy összefonódott állapotban hagyták az univerzumokat, olyan kapcsolatot hozva létre közöttük, ami képessé teszi őket egymás egész távolról történő érzékelésére is. Ez az állapot végleg fennmarad, így bár a felfúvódás gyorsan kitolta területünket a szomszédos univerzumok vonzásából, ma is nyomának kell lenni a kvantum összefonódásnak.
A kérdés, hogy hol és milyen formában keressük ezt a nyomot? A világegyetem tágulása miatt a kozmikus horizonton, körülbelül 42 milliárd fényéven túlról sem fény, sem jelek nem jutnak el hozzánk. Ezen a távolságon belül a galaxis formálódások zajos folyamata gyakorlatilag minden nyomot elsöpört univerzumunk és szomszédai kölcsönhatásáról. Ennek ellenére olyan méreteken, ami csak a kozmikus horizonttal vethető össze, maradnia kellett egy lenyomatnak abból az időből, ami legközelebb áll a felfúvódás beindulásához, ekkor kellett ugyanis végbemennie a terjeszkedést elősegítő kölcsönhatásnak.
A szomszédos foltok vákuumai nyomást gyakoroltak univerzumunkra, állítja Mersini-Houghton és Richard Holman, a Carnegie Mellon Egyetem fizikusa. A relativitás szerint egy ilyen összepréselés taszító gravitációt eredményez, ez pedig a világegyetem méreteit tekintve elvékonyítja az anyagot, megnehezítve a galaxisok kialakulását. "Becslésünk szerint ennek egy 500 millió fényéves űrt kell eredményeznie" - összegzett Mersin-Houghton, ami a vörös eltolódás figyelembe vételével ez egész jól illeszkedik a 900 millió fényév átmérőről szóló csillagászati megfigyelésekhez.
Mersini-Houghton és Holman a japán Saga Egyetem tudósa, Tomo Takahasi segítségével még ennél is tovább jutott. Eredményeik szerint kell lennie még egy ilyen hatalmas űrnek. A már ismert hideg folt az északi féltekén található, a másiknak ennek megfelelően a délin kell elhelyezkednie, így a kutatók nagyon remélik, hogy hamarosan ez utóbbi is előtűnik majd.
A dolgozatnak- mint várni lehetett - elég vegyes fogadtatása volt. Abban mindenki egyetértett ugyan, hogy egy rendkívül érdekes elméletet kaptak, a többség szerint azonban mindez rendkívül spekulatív. A dolog szépsége azonban, hogy hamarosan le lehet tesztelni, ami vagy alátámasztja, vagy teljes egészében romba dönti az eddig leírtakat. A standard kozmológiában az ősrobbanás sugárzásának hőmérsékletbeli változásai az anyag eloszlásának közvetlen következményei, ebből következik, hogy a galaxisok sémájának egy az egyben meg kell egyeznie az ősrobbanás sugárzásában észlelt hőmérsékleti jegyekkel. Mersini-Houghton szerint ez egyáltalán nem így lesz, munkájuk ugyanis azt mutatja, hogy az univerzumok között fennálló összefonódás megváltoztatja az anyagsűrűséget. Ha igazuk van, akkor a kölcsönhatás nyomai észlelhetők lesznek a megfigyeléseken is. "Szerintünk az anyag és a hőmérséklet közötti hasonlóság jóval 100% alá fog esni" - jegyezte meg a fizikus.Az eredményeket az ESA 2008-ban induló Planck mikrohullámú háttér szondája fogja leszállítani, ami további megerősítést adhat a hideg foltnak és fokozza a WMAP térkép pontosságát. A Planck azonban nem az egyedüli döntőbíró, Holmanék teóriája kiütközhet a szintén jövőre üzembe helyezendő Large Hadron Collider (LHC) részecskegyorsító kísérleteiből is. Számos részecskefizikus meggyőződése, hogy az LHC szolgáltatja majd a szuperszimmetria első kísérleti bizonyítékait.
Ez az elmélet azt tartja, hogy minden ismert részecskének van egy nehezebb szuperpárja, azonban a jelenleg működő részecskegyorsítók egyike sem rendelkezett akkora energiával, hogy szuperszimmetrikus részecskéket hozzon létre. Az LHC azonban elég erős lesz ahhoz, hogy tűzlabdáival felidézze a korai univerzumban uralkodó körülményeket. Elvileg megfigyelhetővé válik mi történt, amikor az univerzum egy bizonyos hőmérséklet alá hűlt és olyan állapotváltás ment végbe, ami megtörte a szuperszimmetriát.
A húrmodellek szerint az állapotváltás során felszabadult energia vezetett a felfúvódáshoz, és folytatódott a szuperszimmetrikus részecskék kialakulása. Mivel az energiának elégnek kellett lennie a mi vákuum-darabunk növekedésének biztosításához, ezért Mersini-Houghton és munkatársai meg tudják becsülni a szuperszimmetria megtöréshez szükséges energia méretét. "Szerintünk ez százezerszer nagyobb, mint általánosan hisszük, ezért úgy véljük, hogy az LHC nem fog szuperszimmetriát észlelni" - mondta. A húrelméletnek igen jól jönne, ha a Mersini-Houghton csapat jóslatai beválnának. Amikor először tették közzé a WMAP adatait a kozmológusok a standard modell megerősítéseként értékelték. Akkor még senki sem gondolta, hogy anomáliák is elő fognak fordulni, és azok a feje tetejére állíthatják a modellt. Ami ennél is rosszabb, az utóbbi években egyre több fizikus fordított hátat a húrelméletnek, egyesek halottnak nevezték az egész elvet. "Úgy vélem bizonyítékaink azt mutatják, hogy a húrelmélet jó úton jár" - jelentette ki Mersini-Houghton, aki szerint a hatalmas üres folt felfedezése újjáélesztette a teóriát.
)
