Eine Ansicht der Temperaturunterschiede im kosmischen Mikrowellenhintergrund, die erzeugt wurden, als die Galaxie weniger als 400.000 Jahre alt war, ergab sich aus neunjährigen Beobachtungen mit der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).
(Bild: © NASA)
Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Moderator von "Ask a Spaceman", "Space Radio" und führt AstroTours um die Welt. Sutter hat diesen Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.
Das Urknallmodell ist unsere erfolgreichste Erklärung für die Geschichte des Universums, in dem wir leben, und es ist lächerlich einfach, sein Kerngerüst in einem einzigen Satz mit T-Shirt zusammenzufassen: Vor langer Zeit war unser Universum viel kleiner. Aus dieser einfachen Aussage ergeben sich wichtige überprüfbare Vorhersagen, die durch jahrzehntelange Beobachtung bestätigt wurden. Die Expansionsrate des Universums. Der kosmische Mikrowellenhintergrund. Die Herstellung der leichtesten Elemente. Die Unterschiede zwischen nahen und fernen Galaxien. All die saftigen Beweislinien, die die Kosmologie zu einer Wissenschaft machen.
Es gibt jedoch einige Probleme. [Das Universum: Urknall bis jetzt in 10 einfachen Schritten]
Das Urknallmodell "Vanille" kann ohne weitere Ergänzungen oder Änderungen nicht alle Beobachtungen erklären.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Augen am Horizont
Wir können ein enormes Volumen an Rohraum sehen. Unser beobachtbares Universum hat einen Durchmesser von mehr als 90 Milliarden Lichtjahren. Und je weiter wir hinausschauen, desto tiefer in die Vergangenheit schauen wir. Um uns herum befindet sich der kosmische Mikrowellenhintergrund, das übrig gebliebene fossile Licht, das freigesetzt wurde, als das Universum kaum ein Neugeborenes war - nur 270.000 Jahre alt, weit über 13,8 Milliarden Jahre in der Vergangenheit.
Dieses Licht kommt zu uns aus fernen Bereichen des Kosmos, so weit entfernt, dass es für uns jetzt unzugänglich ist. Und verschiedene Abschnitte dieses Hintergrundlichts sind für einander nicht zugänglich. Im wunderbaren Jargon der Physik sind Regionen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds nicht kausal miteinander verbunden. Mit anderen Worten, damit ein Teil der Grenzen unseres beobachtbaren Universums in den letzten 13,8 Milliarden Jahren mit einem anderen Teil kommunizieren konnte, hätte er Signale senden müssen, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit waren.
Was überhaupt keine große Sache wäre, wenn der kosmische Mikrowellenhintergrund nicht fast perfekt glatt wäre. Das Säuglingsuniversum hatte die gleiche Temperatur wie ein Teil von einer Million. Wie wurden alle so gut koordiniert, wenn Änderungen in einem Bereich nicht genug Zeit hatten, um andere zu beeinflussen?
Gerade und schmal
So gut wir messen können, scheint die Geometrie unseres Universums perfekt, total, sehr langweilig flach zu sein. Auf großen kosmischen Skalen bleiben parallele Linien für immer parallel, Innenwinkel von Dreiecken addieren sich zu 180 Grad und so weiter. Es gelten alle Regeln der euklidischen Geometrie, die Sie in der High School gelernt haben.
Aber es gibt keine Grund damit unser Universum flach ist. Im großen Maßstab hätte es jede alte Krümmung haben können, die es wollte. Unser Kosmos hätte wie ein riesiger, mehrdimensionaler Wasserball oder ein Reitersattel geformt sein können. Aber nein, es hat flach gepflückt. Und das nicht nur ein bisschen flach. Damit wir im heutigen Universum keine Krümmung mit einer Genauigkeit von einigen Prozent messen können, muss der junge Kosmos auf einen Teil von einer Million flach gewesen sein.
Warum? Scheint von allen möglichen Optionen für die Krümmung nicht fast vollkommen flach ein wenig verdächtig? Und tatsächlich vermuten wir, dass es einen Grund für die Flachheit gibt, und es ist nicht nur ein glücklicher Würfelwurf.
Nur eine Stange
Magnetische Monopole sind theoretische Bestien; Brüche in der Raumzeit selbst, die nur einen der Magnetpole aufweisen - stellen Sie sich ein nord- oder südpoliges Teilchen vor, das einsam herumwandert. (In der Materie, wie wir sie kennen, wird ein Objekt mit magnetischem Norden auch am anderen Ende einen magnetischen Süden haben.) Nach unseren besten Modellen des außerordentlich frühen Universums (wie in, als es ungefähr 10 ^ -35 Sekunden alt war, und nein, das ist kein Tippfehler.) Ein exotischer Prozess hätte unseren Kosmos absolut mit diesen Gemeinheiten überfluten sollen.
Diese Monopole sollten so häufig sein, dass sie ein normaler Bestandteil unseres kosmologischen Alltags sind. Und doch haben wir keine Beweise für einen einzigen gesehen. Null. Zilch. Keine Monopolmonster scheinen im Brackwasser des dunklen Universums zu lauern.
Also, wohin sind sie gegangen? Sie hätten im Überfluss hergestellt werden sollen, gerade als unser Universum interessant wurde, aber sie sind nirgends zu finden.
Mach es einfach groß
Die beste Lösung für diese Probleme ist ein Prozess namens Inflation. Die Idee wurde zuerst vorgeschlagen - und geprägt! - von dem Physiker Alan Guth im Jahr 1980, als er vorschlug, dass der gleiche exotische Prozess, der das Universum mit magnetischen Monopolen überflutete, den Kosmos in eine Zeit erstaunlich schneller Expansion hätte versetzen können.
Stellen Sie sich vor, ich hätte Sie - Ihren Körper, Ihre Eingeweide, Ihr Gehirn, Ihr Skelett, die ganze Sache - auf die Größe unseres gesamten beobachtbaren Universums gebracht. Und stellen Sie sich vor, ich habe weniger als 10 ^ -32 Sekunden dafür gebraucht. Das ist eine ernsthafte Erweiterung und genau das, was wir unter Inflation verstehen. Als unser Universum unglaublich jung war, schlug Guth es vor aufgeblasen zu solchen gigantischen Schuppen in weniger als einem Augenblick.
Für Guth war dies der sauberste Weg zur Lösung des Monopolproblems. Indem wir das Universum so verdammt machen großwerden die Monopole einfach verdünnt. Unser beobachtbarer Teil des Universums ist nur eine winzige Ecke des gesamten Schebangs, und es gibt so viel Volumen, dass wir nicht erwarten sollten, jemals einem Monopol zu begegnen.
Diese inflationäre Epoche löst auch die beiden anderen Mängel des Vanille-Urknalls. Das vorinflationäre Universum hatte genügend Zeit, um die Temperaturen zu koordinieren und auszugleichen, bevor es in einen viel größeren Zustand überging und einmal verbundene Regionen außerhalb des weiteren Kontakts schleuderte. Und in einem so riesigen Kosmos konnten wir nicht anders, als eine flache Geometrie in unserem beobachtbaren Fleck zu messen. Wen interessiert es, wie die Krümmung des gesamten Universums ist - es ist so groß, dass es uns flach erscheint. Die Erde ist gekrümmt, aber mein Garten ist schön flach, weil er so viel kleiner ist als die Oberfläche unseres Planeten. Wenden Sie dieselbe Logik einfach auf kosmologische Skalen an und Sie sind golden.
Die Mechanismen, die der Inflation zugrunde liegen, sind jedoch kaum bekannt, und um als halbwegs anständige wissenschaftliche Theorie angesehen zu werden, kann sie nicht nur aktuelle Beobachtungen erklären, sondern auch Vorhersagen für zukünftige treffen.
Und das wird die Geschichte für einen weiteren Tag sein.
Weitere Informationen erhalten Sie in der Folge "Warum brauchen wir kosmische Inflation? (Teil 2)" im Podcast "Ask a Spaceman", der bei iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com verfügbar ist. Dank an Massimiliano S., Lorenzo B., @ZachCoty, Pete E., Christian W., @up_raw, Vicki K., Thomas, Banda C., Steve S., Evan W., Andrew P., @MarkRiepe, @ Luft08, @kazoukis, Gordon M., Jim W., Cosmic Wakes, Floren H., Gabi P., Amanda Z. und @scaredjackel für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter. Folgen Sie uns auf Twitter @Spacedotcom und auf Facebook. Originalartikel auf Space.com.
