Er zijn misschien scheuren in de ruimtetijd, maar de telescopen van de mensheid kunnen ze niet zien.
De scheuren, als ze bestaan, zijn oud - overblijfselen van een tijd kort na de oerknal waarin het universum net was verschoven van een heterere, meer vreemde toestand naar de koelere, meer bekende die we tegenwoordig zien. Die geweldige afkoelperiode, wat natuurkundigen een 'faseovergang' noemen, begon op sommige plaatsen eerder dan op andere, zo luidt de theorie. Bellen van een koeler universum vormden en verspreidden zich en bloeiden door de ruimte totdat ze andere bellen ontmoetten. Uiteindelijk veranderde alle ruimte en verdween het oude universum.
Maar die oude, energierijke staat zou kunnen hebben geleefd op de grenzen tussen de bellen, scheuren in het weefsel van de ruimtetijd waar die koelregio's elkaar ontmoetten en niet perfect in elkaar pasten. Sommige natuurkundigen dachten dat we nog steeds het bewijs zouden kunnen zien van die scheuren of defecten - bekend als 'kosmische snaren' - in de kosmische microgolfachtergrond (CMB), de warmte die overblijft na de gewelddadige opkomst van het universum. Maar volgens een nieuw artikel zou dat bewijs simpelweg te zwak zijn voor welke telescoop dan ook om tegen het geluid in te gaan.
Kosmische snaren zijn moeilijk voor te stellen objecten, zei Oscar Hernández, natuurkundige aan de McGill University in Montreal en co-auteur van de paper. Maar ze hebben analogen in onze wereld.
"Ben je op een bevroren meer gelopen? Heb je scheuren opgemerkt die door het bevroren meerijs zijn geregen? Het is nog steeds vrij stevig. Er is niets om bang voor te zijn, maar er zijn scheuren", vertelde Hernández aan WordsSideKick.com
Die scheuren ontstaan door een vergelijkbaar faseovergangsproces als kosmische snaren.
'IJs is water dat een faseovergang heeft doorgemaakt', zei hij. "Moleculen van water waren vrij om te bewegen als een vloeistof, en dan plotseling, ergens, beginnen ze zich te vormen tot een kristal ... Het begint zichzelf te betegelen in tegels, dat zijn zeshoeken. Stel je nu voor dat je tegels hebt die perfect zijn zeshoeken en tegels daarmee. Als iemand aan de andere kant van het meer weer begint met tegels, "is er in wezen geen enkele kans dat je tegels op één lijn komen te liggen.
Onvolmaakte ontmoetingsplaatsen op een bevroren meeroppervlak vormen lange scheuren. In het weefsel waar ruimte en tijd elkaar kruisen, vormen ze kosmische snaren - als de onderliggende fysica correct is.
In de ruimte zijn onderzoekers van mening dat er velden zijn die het gedrag van fundamentele krachten en deeltjes bepalen. De overgangen van het universum in de eerste fase brachten deze velden tot stand.
'Er kan een veld zijn met betrekking tot een deeltje dat in zekere zin' een richting moet kiezen om te bevriezen en af te koelen '. En aangezien het heelal erg groot is, kan het verschillende richtingen kiezen in verschillende delen van het heelal, 'zei hij. 'Als dit veld aan bepaalde voorwaarden voldoet ... dan zullen er, wanneer het universum is afgekoeld, lijnen van discontinuïteit zijn, er zullen lijnen van energie zijn die niet kunnen afkoelen.'
Vandaag zouden die ontmoetingspunten verschijnen als oneindig dunne dunne energielijnen door de ruimte.
Het vinden van die kosmische snaren zou een groot probleem zijn, omdat ze een ander bewijs zouden zijn dat de fysica groter en gecompliceerder is dan het huidige model toestaat, zei Hernández.
Op dit moment staat de meest geavanceerde theorie van de deeltjesfysica waarvan onderzoekers denken dat deze overtuigend bewezen is, bekend als het standaardmodel. Het omvat de quarks en elektronen waaruit atomen bestaan, evenals meer exotische deeltjes zoals het Higgs-boson en neutrino's.
De meeste natuurkundigen zijn echter van mening dat het standaardmodel onvolledig is. Zoals WordsSideKick.com eerder heeft gemeld, zijn er allerlei ideeën om uit te breiden, van supersymmetrische deeltjes (dwz de "stau slepton") tot supersnaartheorie - het idee dat alle deeltjes en krachten kunnen worden uitgelegd als trillingen van kleine , multidimensionale 'snaren'. (Opmerking: de 'strings' van de supersnaartheorie zijn niet hetzelfde als kosmische 'strings'. Er zijn maar zo veel metaforen beschikbaar en soms gebruiken natuurkundigen op verschillende gebieden er een.)
"Veel uitbreidingen van het standaardmodel waar mensen echt van houden - zoals veel superstring-theorieën en andere - leiden natuurlijk tot kosmische snaren nadat inflatie heeft plaatsgevonden," zei Hernández. "Dus wat we hebben is een object dat wordt voorspeld door heel veel modellen, dus als ze niet bestaan, worden al deze modellen uitgesloten. En als ze er wel zijn, oh mijn god, mensen zijn gelukkig."
Sinds 2017 is er veel belangstelling geweest voor het opsporen van strings in de CMB, schreven Hernández en zijn co-auteur in hun paper, gepubliceerd op 18 november in de arXiv-database en nog niet door vakgenoten beoordeeld.
Hernández had, samen met Razvan Ciuca van het Marianopolis College in Westmount, Quebec, in het verleden betoogd dat een convolutioneel neuraal netwerk - een krachtig type patroonzoekende software - het beste hulpmiddel zou zijn om bewijs van de snaren in CMB op te sporen.
Uitgaande van een perfecte, ruisvrije kaart van de CMB, schreven ze in een apart artikel uit 2017 dat een computer met dat soort neurale netwerk in staat zou moeten zijn om kosmische snaren te vinden, zelfs als hun energieniveaus (of "spanning") opmerkelijk laag zijn.
Maar door het onderwerp opnieuw te bekijken in deze nieuwe paper uit 2019, toonden ze aan dat het in werkelijkheid vrijwel zeker onmogelijk is om voldoende CMB-gegevens te verstrekken voor het neurale netwerk om deze potentiële snaren te detecteren. Andere, helderdere microgolfbronnen verduisteren de CMB en zijn moeilijk volledig te ontwarren. Zelfs de beste microgolfinstrumenten zijn niet perfect, met een beperkte resolutie en willekeurige fluctuaties in hun opnamenauwkeurigheid van de ene pixel naar de volgende. Al die factoren en meer, zo ontdekten ze, leiden tot een niveau van informatieverlies dat geen enkele huidige of geplande methode voor het opnemen en analyseren van de CMB ooit zal kunnen overwinnen, schreven ze. Deze methode om op kosmische snaren te jagen is een doodlopende weg.
Dat betekent echter niet dat alles verloren is, schreven ze.
Een nieuwe methode voor het jagen op kosmische snaren is gebaseerd op metingen van de uitdijing van het heelal in alle richtingen over oude delen van het heelal. Deze methode - het in kaart brengen van de intensiteit van 21 centimeter - is niet afhankelijk van het bestuderen van de bewegingen van individuele sterrenstelsels of van nauwkeurige beelden van de CMB, zei Hernández. In plaats daarvan is het gebaseerd op metingen van de snelheid waarmee waterstofatomen gemiddeld van de aarde af bewegen in alle delen van de verre ruimte.
De beste observatoria voor het in kaart brengen van 21 cm (zo genoemd omdat waterstof elektromagnetische energie uitzendt met een veelbetekenende golflengte van 21 cm) zijn nog niet online. Maar wanneer ze aankomen, schreven de auteurs, is er hoop op duidelijker bewijs van kosmische snaren in hun gegevens. En dan, zei Hernández, kan de jacht opnieuw beginnen.
