Retning er noget, vi mennesker er ret vant til. Når vi lever i vores venlige terrestriske miljø, er vi vant til at se ting i form af op og ned, venstre og højre, fremad eller baglæns. Og for os er vores referenceramme fast og ændrer sig ikke, medmindre vi flytter eller er i gang med at flytte. Men når det kommer til kosmologi, bliver tingene lidt mere komplicerede.
I lang tid nu har kosmologer haft troen på, at universet er homogent og isotropt - altså grundlæggende det samme i alle retninger. I denne forstand er der ikke noget som 'op' eller 'ned', når det kommer til rummet, kun referencepunkter, der er helt relative. Og takket være en ny undersøgelse foretaget af forskere fra University College London, har den opfattelse vist sig at være korrekt.
Af hensyn til deres undersøgelse, med titlen ' Hvor isotropt er universet? “, forskerholdet brugte undersøgelsesdata fra Kosmisk mikroovn baggrund (CMB) – den termiske stråling tilbage fra Big Bang. Disse data blev opnået af ESAs Planck-rumfartøj mellem 2009 og 2013.
Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, forbedret for at vise anomalierne. Kredit: ESA og Planck Collaboration
Holdet analyserede det derefter ved hjælp af en supercomputer for at bestemme, om der var nogen polarisationsmønstre, der ville indikere, om rummet har en 'foretrukken retning' af ekspansion. Formålet med denne test var at se, om en af de grundlæggende antagelser, der ligger til grund for den mest almindeligt accepterede kosmologiske model, faktisk er korrekt.
Den første af disse antagelser er, at universet blev skabt af Big Bang, som er baseret på opdagelsen af, at universet er i en tilstand af ekspansion, og opdagelsen af den kosmiske mikrobølgebaggrund. Den anden antagelse er, at rummet er homogent og istropisk, hvilket betyder, at der ikke er større forskelle i fordelingen af stof over store skalaer.
Denne tro, som også er kendt som Kosmologisk princip , er delvist baseret på det kopernikanske princip (som siger, at Jorden ikke har nogen særlig plads i universet) og Einsteins Relativitetsteori – som viste, at målingen af inerti i ethvert system er i forhold til observatøren.
Denne teori har altid haft sine begrænsninger, da stof tydeligvis ikke er jævnt fordelt i mindre skalaer (dvs. stjernesystemer, galakser, galaksehobe osv.). Kosmologer har dog argumenteret omkring dette ved at sige, at udsving i den lille skala skyldes kvanteudsving, der fandt sted i det tidlige univers, og at strukturen i stor skala er homogen.
Tidslinje for Big Bang og udvidelsen af universet. Kredit: NASA
Ved at lede efter udsving i det ældste lys i universet har videnskabsmænd forsøgt at afgøre, om dette faktisk er korrekt. I de sidste tredive år er denne slags målinger blevet udført af flere missioner, såsom Kosmisk baggrundsudforsker (COBE) mission, den Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), og Planck rumfartøj .
For deres undersøgelses skyld så UCL-forskerholdet – ledet af Daniela Saadeh og Stephen Feeney – lidt anderledes på tingene. I stedet for at søge efter ubalancer i mikrobølgebaggrunden, ledte de efter tegn på, at rummet kunne have en foretrukken ekspansionsretning, og hvordan disse kunne præge sig på CMB.
Som Daniela Saadeh – en ph.d.-studerende ved UCL og hovedforfatteren på papiret – fortalte Universe Today via e-mail:
'Vi analyserede temperaturen og polariseringen af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), en relikviestråling fra Big Bang, ved hjælp af data fra Planck-missionen. Vi sammenlignede den rigtige CMB med vores forudsigelser for hvordan det ville se ud i et anisotropt univers. Efter denne søgning konkluderede vi, at der ikke er noget bevis for disse mønstre, og at antagelsen om, at universet er isotropisk i store skalaer, er god.'
Grundlæggende viste deres resultater, at der kun er 1 ud af 121.000 chance for, at universet er anisotropt. Med andre ord indikerer beviserne, at universet har udvidet sig i alle retninger ensartet, og dermed fjernet enhver tvivl om, at de er en egentlig retningssans i stor skala.
Et 'nu og da' himmelbillede taget af Planck-rumfartøjet, der samtidig viser vores galakse og dens strukturer set som i nyere historie; og ’dengang’ – Big Bangs røde efterglød set som det var blot 380.000 år senere. Kredit: ESA
Og på en måde er dette en smule skuffende, eftersom et univers, der ikke er homogent og ens i alle retninger, ville føre til et sæt løsninger til Einsteins feltligninger. Disse ligninger pålægger i sig selv ikke rumtid nogen symmetrier, men standardmodellen (som de er en del af) accepterer homogenitet som en slags givet.
Disse løsninger er kendt som Bianchi-modellerne, som blev foreslået af den italienske matematiker Luigi Bianchi i slutningen af det 19. århundrede. Disse algebraiske teorier, som kan anvendes på tredimensionel rumtid, opnås ved at være mindre restriktive og giver dermed mulighed for et univers, der er anisotropt.
På den anden side har undersøgelsen udført af Saadeh, Feeney og deres kolleger vist, at en af de vigtigste antagelser, som vores nuværende kosmologiske modeller hviler på, faktisk er korrekt. Derved har de også givet en tiltrængt følelse af tættere på en langsigtet debat.
'I de sidste ti år har der været en betydelig diskussion om, hvorvidt der var tegn på storstilet anisotropi på lur i CMB,' sagde Saadeh. 'Hvis universet var anisotropt, ville vi skulle revidere mange af vores beregninger om dets historie og indhold. Planck data af høj kvalitet kom med en gylden mulighed for at udføre dette sundhedstjek på standardmodellen for kosmologi, og den gode nyhed er, at den er sikker.'
Så næste gang du ser op på nattehimlen, så husk … det er en luksus du kun har, mens du står på Jorden. Derude er det et helt andet boldspil! Så nyd denne ting, vi kalder 'retning', når og hvor du kan.
Og sørg for at tjekke denne animation produceret af UCL-teamet, som illustrerer Planck-missionens CMB-data:
