Retning er noe vi mennesker er ganske vant til. Når vi lever i vårt vennlige landlige miljø, er vi vant til å se ting når det gjelder opp og ned, venstre og høyre, fremover eller bakover. Og for oss er referanserammen vår fast og endres ikke, med mindre vi flytter eller er i ferd med å flytte. Men når det kommer til kosmologi, blir ting litt mer komplisert.
I lang tid nå har kosmologene tro på at universet er homogent og isotropisk - dvs. grunnleggende det samme i alle retninger. I denne forstand er det ikke noe som "opp" eller "ned" når det gjelder verdensrommet, bare referansepunkter som er helt relative. Og takket være en ny studie av forskere fra University College London, har dette synet vist seg å være riktig.
For undersøkelsens skyld, med tittelen “How isotropic is the Universe?”, Brukte forskerteamet undersøkelsesdata fra Cosmic Microwave Background (CMB) - den termiske strålingen som ble igjen fra Big Bang. Disse dataene ble innhentet av ESAs Planck-romfartøy mellom 2009 og 2013.
Teamet analyserte det deretter ved hjelp av en superdatamaskin for å finne ut om det var noen polarisasjonsmønstre som skulle indikere om rom har en "foretrukket retning" for utvidelse. Hensikten med denne testen var å se om en av de grunnleggende forutsetningene som ligger til grunn for den mest aksepterte kosmologiske modellen, faktisk er riktig.
Den første av disse forutsetningene er at universet ble opprettet av Big Bang, som er basert på oppdagelsen om at universet er i en ekspansjonstilstand, og funnet av den kosmiske mikrobølgeovnbakgrunnen. Den andre antakelsen er at rom er homogent og istropisk, noe som betyr at det ikke er store forskjeller i fordelingen av materien over store skalaer.
Denne troen, som også er kjent som det kosmologiske prinsippet, er delvis basert på det kopernikanske prinsippet (som sier at Jorden ikke har noen spesiell plass i universet) og Einsteins relativitetsteori - som demonstrerte at målingen av treghet i ethvert system er relativt til observatøren.
Denne teorien har alltid hatt sine begrensninger, ettersom materien tydeligvis ikke er jevnt fordelt i mindre skalaer (dvs. stjernesystemer, galakser, galaksehylser osv.). Kosmologer har imidlertid kranglet rundt dette ved å si at svingninger i liten skala skyldes kvantumsvingninger som skjedde i det tidlige universet, og at den store skalaen er en av homogenitet.
Ved å lete etter svingninger i det eldste lyset i universet, har forskere forsøkt å finne ut om dette faktisk er riktig. I løpet av de siste tretti årene har denne typen målinger blitt utført av flere oppdrag, for eksempel Cosmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Mikrobølgeovn Anisotropy Probe (WMAP) og Planck romfartøy.
Av hensyn til studien deres så UCL-forskerteamet - ledet av Daniela Saadeh og Stephen Feeney - på tingene litt annerledes. I stedet for å søke etter ubalanser i mikrobølgebakgrunnen, lette de etter tegn på at plass kunne ha en foretrukket retning for utvidelse, og hvordan disse kan prege seg på CMB.
Som Daniela Saadeh - en doktorgradsstudent ved UCL og hovedforfatteren på papiret - fortalte Space Magazine via e-post:
“Vi analyserte temperaturen og polarisasjonen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB), en relikviestråling fra Big Bang, ved hjelp av data fra Planck-oppdraget. Vi sammenlignet den virkelige CMB mot spådommene våre for hvordan det ville se ut i et anisotropisk univers. Etter dette søket konkluderte vi med at det ikke er holdepunkter for disse mønstrene, og at antakelsen om at universet er isotropisk i store skalaer er en god en. ”
I utgangspunktet viste resultatene at det bare er en sjanse på 1 til 121 000 at universet er anisotropisk. Bevisene indikerer med andre ord at universet har utvidet seg i alle retninger jevnt, og dermed fjernet enhver tvil om at de er noen faktisk følelse av retning i stor skala.
Og på en måte er dette litt skuffende, siden et univers som ikke er homogent og det samme i alle retninger, vil føre til et sett med løsninger på Einsteins feltlikninger. I seg selv pålegger ikke disse ligningene noen symmetri på romtid, men standardmodellen (som de er en del av) aksepterer homogenitet som en slags gitt.
Disse løsningene er kjent som Bianchi-modellene, som ble foreslått av den italienske matematikeren Luigi Bianchi på slutten av 1800-tallet. Disse algebraiske teoriene, som kan brukes på tredimensjonal romtid, oppnås ved å være mindre restriktive, og gir dermed mulighet for et univers som er anisotropisk.
På den annen side har studien utført av Saadeh, Feeney og deres kolleger vist at en av hovedforutsetningene som våre nåværende kosmologiske modeller hviler på, faktisk er riktig. På den måten har de også gitt en sårt tiltrengt følelse av nærmere en langsiktig debatt.
"De siste ti årene har det vært betydelig diskusjon rundt om det var tegn på storstilt anisotropi som lurte i CMB," sa Saadeh. “Hvis universet var anisotropisk, ville vi måtte revidere mange av beregningene våre om dets historie og innhold. Planck-data av høy kvalitet ga en gylden mulighet til å utføre denne helsesjekken på standardmodellen for kosmologi, og den gode nyheten er at den er trygg. ”
Så neste gang du finner deg selv å se opp på nattehimmelen, husk ... det er en luksus du bare har mens du står på jorden. Der ute er det et helt ‘nother ballgame! Så nyt denne tingen vi kaller "retning" når og hvor du kan.
Og husk å sjekke ut denne animasjonen produsert av UCL-teamet, som illustrerer Planck-oppdragets CMB-data:
