Amerikanische Wissenschaftler beschrieben mit mathematischen Werkzeugen die Inhomogenitäten der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die unmittelbar nach dem Ursprung des Universums auftraten. Die Autoren glauben, dass ihre Ergebnisse die Richtigkeit der Big-Bounce-Hypothese bestätigen, wonach die Entstehung unseres Universums das Ergebnis des Zerfalls eines "vorherigen" Universums war. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Während Einsteins allgemeine Relativitätstheorie eine breite Palette astrophysikalischer und kosmologischer Phänomene erklärt, bleiben einige Eigenschaften des Universums ein Rätsel. Insbesondere kann es die ungleichmäßige Verteilung von Galaxien und dunkler Materie im Weltraum nicht erklären.
Seit den 1980er Jahren entwickeln Forscher der Penn State University ein kosmologisches Paradigma, das auf dem Konzept der Schleifenquantengravitation basiert. Dieses Paradigma, Schleifenquantenkosmologie genannt, beschreibt alle modernen großen Strukturen im Universum als Quantenfluktuationen der Raum-Zeit, die bei der Geburt der Welt stattfanden.
Nach der allgemein anerkannten Theorie des Urknalls begann alles mit einer Singularität - einem Zustand, in dem alle Materie und Energie zu einem Punkt komprimiert wurden. Dann, im Bruchteil einer Sekunde, während einer Periode, die Inflation genannt wurde, schwoll der Kosmos zu enormen Ausmaßen an. Die Urknalltheorie erklärt jedoch nicht, was vor der Singularität passiert ist, so dass dieser Zustand nicht mit den Gesetzen der Physik und Mathematik beschrieben werden kann.
Wissenschaftler der Pennsylvania State University vertreten die alternative Big-Bounce-Hypothese, wonach das derzeit expandierende Universum aus der überkomprimierten Masse des Universums der vorherigen Phase entstanden ist. Um diesen Zustand zu beschreiben, verwenden sie einen universellen mathematischen Apparat, der die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie kombiniert.
Die Autoren führen den Ursprung der Struktur des Universums auf die kleinsten Inhomogenitäten zurück, die vor dem Hintergrund der kosmischen Strahlung von Mikrowellenrelikten aufgezeichnet wurden, die emittiert wurde, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war.
Diese Strahlung selbst weist jedoch drei mysteriöse Anomalien auf, die mit der klassischen Physik schwer zu erklären sind. Diese Abweichungen sind so gravierend, dass viele Physiker über eine Krise in der Kosmologie sprachen.
In einer neuen Studie argumentieren Wissenschaftler, dass aus der Sicht der Schleifenquantenkosmologie durch die Beschreibung der Inflation zwei Hauptanomalien in der CMB-Verteilung beseitigt werden.
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"Mit Hilfe der Quantenschleifenkosmologie haben wir natürlich zwei dieser Anomalien gelöst, um eine potenzielle Krise zu vermeiden", sagte Co-Autor Donghui Jeong, außerordentlicher Professor am Institut für Astronomie und Astrophysik, in einer Pressemitteilung der Universität. "Das Vorhandensein dieser Anomalien legt nahe, dass wir in einem außergewöhnlichen Universum leben."
Die Autoren glauben, dass die Inhomogenitäten des CMB das Ergebnis unvermeidlicher Quantenfluktuationen im frühen Universum sind. Während der beschleunigten Expansionsphase - Inflation - wurden diese anfänglich winzigen Schwankungen durch die Schwerkraft gedehnt, was sich in den beobachteten Unregelmäßigkeiten widerspiegelte.
"Das auf der allgemeinen Relativitätstheorie basierende Standard-Inflationsparadigma betrachtet die Raumzeit als ein glattes Kontinuum", sagte der Erstautor des Papiers, Professor Abhay Ashtekar, Direktor des Pennsylvania Institute of Gravity and Space. - Der Stoff des Hemdes sieht ebenfalls aus wie eine zweidimensionale Oberfläche, aber bei näherer Betrachtung können Sie sehen, dass es aus dicht gepackten eindimensionalen Fäden gewebt ist. Auf die gleiche Weise werden Quantenfäden in das Gewebe der Raumzeit eingewebt. Angesichts dieser Stränge erlaubt uns die Schleifenquantenkosmologie, über das durch die allgemeine Relativitätstheorie beschriebene Kontinuum hinauszugehen."
Wissenschaftler hoffen, dass neue Satellitenmissionen wie LiteBIRD und Cosmic Origins Explorer, die darauf abzielen, Spuren primärer Gravitationswellen vor dem Hintergrund des CMB zu erkennen, ihre Ergebnisse bestätigen werden.