Sommige natuurkundigen zien tekenen van kosmische snaren van de oerknal.

Subtiele afwijkingen in het uurwerk van knipperende sterren kunnen “het resultaat van de eeuw” worden. Dat is als de vervormingen worden geproduceerd door een netwerk van gigantische filamenten die zijn overgebleven vanaf de geboorte van het universum.

Animatie:

Een simulatie van kosmische snaren in een uitdijend universum. 
Witte snaren zijn langer dan een waarneembare plek in het universum, terwijl lussen die kleiner zijn dan een waarneembare plek in rood worden weergegeven. 
Nieuw gevormde kleine lussen zijn geel.

Kosmologen denken dat aan het begin van het universum alle natuurkrachten voor een korte fractie van een seconde verenigd waren. Maar toen het universum zich uitbreidde en afkoelde, verdichtte deze superkracht zich tot zijn vertrouwde delen: zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke krachten. 

Volgens sommige berekeningen kan de kosmos zo snel zijn afgekoeld dat het weefsel van de ruimte-tijd is gebroken, waardoor een netwerk van flinterdunne buizen is ontstaan, gevuld met pure energie, die zich uitstrekken over de breedte van het waarneembare universum. 

Dit is een mogelijk oorsprongsverhaal van kosmische snaren. 

Voorspeld in de jaren zeventig , zijn kosmische snaren lange tijd buiten het bereik van experimenten geweest. Maar nu denken sommige natuurkundigen dat ze een glimp hebben opgevangen van het eerste bewijs dat deze gigantische eendimensionale structuren bestaan. 

“Mijn gevoel is dat deze eerste tekenen er veelbelovend uitzien”, zegt Kai Schmitz , een theoretisch fysicus bij CERN, het laboratorium in Europa. Maar hij merkte op dat er nog een lange weg te gaan is voordat iemand aanspraak kan maken op een ontdekking.

“Als we kosmische snaren ontdekken, zal dat het resultaat zijn van de eeuw”, zegt Eugene Lim , die onderzoek doet naar de kosmologie van het vroege universum aan King’s College London. “Maar om Carl Sagan te citeren: ‘buitengewone beweringen vereisen buitengewoon bewijs’, en op dit moment is het bewijs een beetje mager.”

De gegevens lijken de voorkeur te geven aan de interpretatie van kosmische snaren, maar niet in grote mate.

John Ellis

Druk op Wobbles

De nieuwe gegevens die de aanwezigheid van kosmische snaren kunnen suggereren, zijn afkomstig van NANOGrav , een groep astronomen die tientallen draaiende dode sterren, pulsars genaamd, in de gaten houdt. 

Pulsars zenden radiogolven uit vanaf hun polen, zodat we vanaf de aarde regelmatig flitsen zien, elke keer dat de stralen langs onze gezichtslijn bewegen, zoals de flitsen van een vuurtoren. In feite lijken pulsar-blips zo onnatuurlijk regelmatig dat bij hun ontdekking in 1967 de eerste pulsar LGM-1 werd genoemd voor “kleine groene mannetjes”.

Pulsars zijn de meest nauwkeurige kosmische tijdwaarnemers. Dus als hun blips vervormd zijn, weten natuurkundigen dat er iets aan de hand is. In het bijzonder zoeken de onderzoekers naar vervormingen veroorzaakt door zwaartekrachtgolven – rimpelingen in de ruimte-tijd die, wanneer ze door de pulsars gaan, de aankomsttijd van de blips op aarde veranderen. Deze zwaartekrachtgolven kunnen afkomstig zijn van het dreunen van kosmische snaren, botsingen van superzware zwarte gaten of andere gewelddadige kosmische processen. 

De nieuwste analyse van NANOGrav , die op 9 september online is gezet, verzamelt meer dan 12 jaar aan observaties van tientallen pulsars van radiotelescopen verspreid over Noord-Amerika. De paper wordt nog steeds door vakgenoten beoordeeld, maar de onderzoekers ontdekten dat iets de blips die door alle pulsars worden uitgezonden op dezelfde manier vervormt, en met frequenties die worden verwacht van zwaartekrachtgolven. Het blijft mogelijk dat dit patroon in plaats daarvan afkomstig is van een onbekende, veel voorkomende bron van ruis in de pulsars, of in de klokken die de aankomst van de blips op aarde meten.

Theoretici zijn al begonnen te speculeren over kosmische verklaringen van het voorlopige signaal van NANOGrav, ook al mist het signaal een smoking-gun-functie die zou bewijzen dat het zwaartekrachtgolven zijn: een soort correlatie in de timing van pulsars die optreedt vanwege de afwisselende manier waarop zwaartekrachtgolven strekken zich uit en verpletteren ruimte-tijd. Er zijn meer pulsar-timinggegevens nodig voordat de wetenschappers kunnen zien of hun signaal dit cruciale kenmerk heeft.  

“We kunnen niet met zekerheid zeggen of het ruis is of dat het een zwaartekrachtgolfsignaal is”, zegt Alberto Sesana , voormalig voorzitter van de International Pulsar Timing Array , een consortium van projecten waaronder NANOGrav.

Kosmische draden


Bekijk alle Abstractions-blog


NANOGravs paper lokte een bijzonder snelle reactie uit onder natuurkundigen die aan kosmische snaren werken. “Dit wordt ambulancejacht genoemd … iedereen probeert de eerste krant eruit te krijgen”, zei Schmitz, die in de Italiaanse bergen aan het wandelen was toen hij het nieuws hoorde en die het weekend opgewonden WhatsApp-berichten uitwisselde met zijn collega Simone Blasi.

Binnen een paar dagen plaatsten ze een paper in samenwerking met Vedran Brdar, waarin ze beweerden dat de gegevens zouden kunnen worden geïnterpreteerd als afkomstig van kosmische snaren, als de snaren werden gemaakt toen het universum een ​​bepaalde ultrahoge temperatuur had. Deze temperatuur “zal altijd een belletje doen rinkelen” onder natuurkundigen, zei Schmitz, omdat dit het punt is waarop de sterke, zwakke en elektromagnetische krachten zouden zijn verenigd.

Na de oerknal zou de verenigde superkracht zich hebben afgescheiden in de natuurkrachten die we vandaag zien door een reeks faseovergangen te doorlopen, vergelijkbaar met vloeibaar water dat in ijs bevriest. Dit lukrake proces zou kosmische snaren kunnen hebben gecreëerd als scheuren in ruimte-tijd, zoals de scheuren die je in ijsblokjes kunt zien.

Het universum zou zijn blijven uitdijen, kosmische snaren zouden mee zijn gegroeid. Maar af en toe vouwden snaren in zichzelf of botsten ze met andere snaren, waardoor lussen in uitbarstingen van energie afknelden. Deze snaarlussen zouden gedurende miljarden jaren blijven wiebelen, waarbij ze geleidelijk energie verliezen terwijl ze zwaartekrachtgolven uitzonden. “Het lijkt erg op het opwinden van de snaar van een viool”, zei Schmitz.

Green Bank Observatory in West Virginia, een van de vele radiotelescopen die door het NANOGrav-project worden gebruikt.

ezamenlijk zouden de vibrerende lussen het soort zwaartekrachtgolfsignaal creëren dat NANOGrav zou hebben gezien. (Dit signaal is naar verwachting niet zichtbaar voor LIGO, het observatorium voor zwaartekrachtgolven dat botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren detecteert.) Als dat waar is, zou het het eerste venster zijn dat fysici hebben geopend op die oerfase-overgangen.

Een andere meer speculatieve mogelijkheid is dat kosmische snaren afkomstig zouden kunnen zijn van de kleine vibrerende snaren van de snaartheorie . Sommige snaartheoretische modellen stellen dat snaren tot kolossale proporties kunnen zijn uitgegroeid tijdens de aanvankelijke snelle expansie van de kosmos. Verschillen in de spanning van dit soort kosmische snaren en in het wegbreken van snaarlussen zouden een unieke zwaartekrachtgolfsignatuur creëren die ze onderscheidt van andere soorten.

John Ellis , een deeltjesfysicus aan King’s College, betwijfelt of de nieuwe gegevens het bewijs zijn van de snaartheorie. “Als je me de uitdrukking excuseert, denk ik dat dat een heel groot stuk zou zijn.”

Mega-fusies

Als alternatief kan het mogelijke zwaartekrachtgolfsignaal van NANOGrav afkomstig zijn van superzware zwarte gaten, waarvan bekend is dat ze, in tegenstelling tot kosmische snaren, bestaan.

Bijna elk groot sterrenstelsel, inclusief de Melkweg, heeft een superzwaar zwart gat in het midden dat miljoenen of miljarden keer meer weegt dan de zon. Als twee sterrenstelsels samensmelten, zullen hun zwarte gaten om elkaar heen draaien, waardoor zwaartekrachtgolven ontstaan ​​terwijl ze spiraalsgewijs bewegen.

Superzware fusies van zwarte gaten zijn nog nooit gezien. “Het is gênant dat we geen idee hebben of ze fuseren. Het is zo’n gapend gat in onze kennis ”, zegt Jenny Greene , een astronoom aan Princeton University. “Is het een miljard jaar, of duurt het dichter bij de leeftijd van het universum voordat ze samenkomen?”

In een paper die op 16 september online werd geplaatst , ontdekten Ellis en een medewerker dat de vorm van het NANOGrav-signaal meer lijkt op wat je zou verwachten van kosmische snaren dan superzware zwarte gaten. “De gegevens lijken de voorkeur te geven aan de interpretatie van kosmische snaren, maar niet in grote mate”, zei Ellis.

Andere onderzoekers hebben de mogelijkheid onderzocht dat NANOGrav primordiale zwarte gaten of straling van donkere materie zou kunnen zien . Maar iedereen gaat voorzichtig te werk.

“Persoonlijk kan ik het beste gaan zitten en wachten op meer gegevens. Maar weet je, we zijn allemaal ongeduldig, ‘zei Lim.

Naast NANOGrav zullen de Europese Pulsar Timing Array en de Parkes Pulsar Timing Array in Australië te zijner tijd hun eigen data vrijgeven. De nieuwe 500-meter FAST-telescoop van China en de Zuid-Afrikaanse MeerKAT- telescooparray bundelen ook hun krachten in de internationale inspanning om zwaartekrachtgolven met pulsars te zoeken, zei Sesana. “We werken allemaal samen om de gegevens te verzamelen en analyseren om het vertrouwen op te bouwen van wat er is.”

Gerelateerd:

  1. Natuurkundigen beweren dat zwarte gaten van de oerknal de donkere materie kunnen zijn
  2. Een nieuwe kosmische spanning: het universum is misschien te dun
  3. Natuurkundigen debatteren over het idee van Hawking dat het universum nog niet was begonnen

Quantum Magazine . Auteur Lewton Thomas

Geef een reactie