Kierunek jest czymś, do czego my ludzie jesteśmy przyzwyczajeni. Żyjąc w naszym przyjaznym środowisku naziemnym, jesteśmy przyzwyczajeni do patrzenia na rzeczy w górę i w dół, w lewo iw prawo, do przodu lub do tyłu. Dla nas nasz układ odniesienia jest stały i się nie zmienia, chyba że się poruszamy lub jesteśmy w trakcie przenoszenia. Ale jeśli chodzi o kosmologię, sprawy stają się nieco bardziej skomplikowane.
Od dłuższego czasu kosmolodzy wierzą, że wszechświat jest jednorodny i izotropowy - tj. Zasadniczo taki sam we wszystkich kierunkach. W tym sensie nie ma czegoś takiego jak „góra” lub „dół”, jeśli chodzi o przestrzeń, tylko punkty odniesienia, które są całkowicie względne. A dzięki nowym badaniom naukowców z University College London wykazano, że pogląd ten jest prawidłowy.
Na potrzeby swoich badań, zatytułowanych „Jak izotropowy jest wszechświat?”, Zespół badawczy wykorzystał dane z badań kosmicznego mikrofalowego tła (CMB) - promieniowania cieplnego pozostałego po Wielkim Wybuchu. Dane te zostały uzyskane przez sondę Planck ESA w latach 2009–2013.
Zespół następnie przeanalizował go za pomocą superkomputera, aby ustalić, czy istnieją wzorce polaryzacji wskazujące, czy przestrzeń ma „preferowany kierunek” ekspansji. Celem tego testu było sprawdzenie, czy jedno z podstawowych założeń leżących u podstaw najczęściej akceptowanego modelu kosmologicznego jest słuszne.
Pierwszym z tych założeń jest to, że Wszechświat został stworzony przez Wielki Wybuch, który opiera się na odkryciu, że Wszechświat jest w stanie ekspansji, oraz odkryciu Kosmicznego Mikrofalowego Tła. Drugie założenie jest takie, że przestrzeń jest jednorodna i istropowa, co oznacza, że nie ma większych różnic w rozkładzie materii w dużych skalach.
Przekonanie to, znane również jako Zasada Kosmologiczna, opiera się częściowo na Zasadzie Kopernika (która stwierdza, że Ziemia nie ma specjalnego miejsca we Wszechświecie) i Teorii Względności Einsteina - która wykazała, że pomiar bezwładności w dowolnym układzie jest względny do obserwatora.
Teoria ta zawsze miała swoje ograniczenia, ponieważ materia wyraźnie nie jest równomiernie rozmieszczona w mniejszych skalach (tj. Układach gwiazd, galaktykach, gromadach galaktyk itp.). Jednak kosmolodzy spierają się wokół tego, mówiąc, że fluktuacje na małą skalę są spowodowane fluktuacjami kwantowymi, które wystąpiły we wczesnym Wszechświecie, i że struktura na dużą skalę jest jednorodna.
Szukając fluktuacji w najstarszym świetle we Wszechświecie, naukowcy próbowali ustalić, czy jest to rzeczywiście poprawne. W ciągu ostatnich trzydziestu lat tego rodzaju pomiary były wykonywane przez wiele misji, takich jak misja Cosmic Background Explorer (COBE), sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) i statek kosmiczny Planck.
Ze względu na swoje badania zespół badawczy UCL - pod przewodnictwem Danieli Saadeh i Stephena Feeneya - spojrzał na to trochę inaczej. Zamiast szukać nierówności w tle mikrofalowym, szukali oznak, że przestrzeń mogłaby mieć preferowany kierunek ekspansji i jak mogą one odcisnąć się na CMB.
Jak Daniela Saadeh - doktorantka UCL i główna autorka na papierze - powiedziała Space Magazine pocztą elektroniczną:
„Przeanalizowaliśmy temperaturę i polaryzację kosmicznego mikrofalowego tła (CMB), promieniowania reliktowego z Wielkiego Wybuchu, wykorzystując dane z misji Plancka. Porównaliśmy rzeczywistą CMB z naszymi przewidywaniami pod kątem tego, jak wyglądałoby to we wszechświecie anizotropowym. Po tych poszukiwaniach doszliśmy do wniosku, że nie ma dowodów na te wzorce i że założenie, że Wszechświat jest izotropowy na dużą skalę, jest słuszne. ”
Zasadniczo ich wyniki wykazały, że istnieje tylko 1 na 121 000 szans, że Wszechświat jest anizotropowy. Innymi słowy, dowody wskazują, że Wszechświat rozszerza się równomiernie we wszystkich kierunkach, usuwając w ten sposób wszelkie wątpliwości co do tego, że są jakimkolwiek rzeczywistym wyczuciem kierunku na dużą skalę.
W pewnym sensie jest to nieco rozczarowujące, ponieważ Wszechświat, który nie jest jednorodny i taki sam we wszystkich kierunkach, doprowadziłby do zestawu rozwiązań równań pola Einsteina. Same równania te nie narzucają żadnych symetrii w czasoprzestrzeni, ale Model Standardowy (którego są częścią) akceptuje jednorodność jako rodzaj danego.
Rozwiązania te znane są jako modele Bianchi, które zostały zaproponowane przez włoskiego matematyka Luigiego Bianchi pod koniec XIX wieku. Te teorie algebraiczne, które można zastosować do trójwymiarowej czasoprzestrzeni, są uzyskiwane przez to, że są mniej restrykcyjne, a zatem pozwalają na anizotropię Wszechświata.
Z drugiej strony badania przeprowadzone przez Saadeha, Feeneya i ich współpracowników wykazały, że jedno z głównych założeń, na których opierają się nasze obecne modele kosmologiczne, jest rzeczywiście poprawne. W ten sposób zapewniły również bardzo potrzebne poczucie bliższej debaty długoterminowej.
„W ciągu ostatnich dziesięciu lat toczyło się wiele dyskusji na temat tego, czy w CMB czaiły się anizotropie na dużą skalę”, powiedział Saadeh. „Gdyby Wszechświat był anizotropowy, musielibyśmy zrewidować wiele naszych obliczeń dotyczących jego historii i treści. Wysokiej jakości dane Plancka przyniosły złotą okazję do przeprowadzenia tej kontroli stanu standardowego modelu kosmologii, a dobrą wiadomością jest to, że jest bezpieczny. ”
Więc kiedy następnym razem spojrzysz na nocne niebo, pamiętaj… to luksus, który masz tylko wtedy, gdy stoisz na Ziemi. Tam jest cała nowa gra w piłkę! Ciesz się więc rzeczą, którą nazywamy „kierunkiem”, kiedy i gdzie możesz.
I koniecznie sprawdź animację stworzoną przez zespół UCL, która ilustruje dane CMB misji Plancka:
