Czy Wszechświat rozszerza się asymetrycznie?

Współczesne badania prędkości supernowych sugerują, że Wszechświat może się rozszerzać niejednolicie, posiadając różną wartość przyspieszenia, co może natomiast świadczyć o fakcie, że prawa fizyki są różne w danych częściach kosmosu. Fizycy pracujący nad danymi dostarczonymi przez Supernova Cosmology Projkect Union2, sugerują, że rozszerzanie się Wszechświata wydaje się ukazywać na wybranej osi. Znaczy to, że prędkość rozszerzania się Wszechświata jest różna w poszczególnych kierunkach. Ta asymetryczna ekspansja jest opisana jako anizotropia, której właściwością jest bycie zależną od kierunku. Jest przeciwieństwem izotropowości, którą określają identyczne właściwości w każdym z możliwych kierunków.  Rezultatem tego jest niezgodność ze standardowym modelem kosmosu, który oparty jest na kosmologicznej zasadzie, że Wszechświat musi być być izotropijny i homogeniczny. Mówiąc prościej – istnieje założenie, że podkładowa struktura, jak i prawa nią zarządzające muszą być identyczne w każdym z możliwych kierunków.

Wyzwanie rzucone rozumowaniu izotropicznemu

Wydany z początkiem roku 2010 zestaw danych zawierających 557 supernowych typu Ia – czyli najjaśniejszych znanych z tych gwiazd – co jest rezultatem ogromnych eksplozji białych karłów na koniec ich życia.

W późnym okresie 2010 roku, dwóch kosmologów z Uniwersytetu Ioannina w Grecji opublikowali materiał będący wyzwaniem dla ówczesnych kosmologicznych praw. Praca opublikowana w Journal of Cosmology and Astropparticle Physics dostarczała statystycznych dowodów wspierających wyobrażenie poszerzania się wszechświata wzdłuż danej osi.

Na początku września bieżącego roku, tego typu dyskusja została opublikowana na stronie arXiv przez Rong-Gena Cai o Zhong-Lianga Tuoy – kosmologów z Instytutu Fizyki Teoretycznej na Chińskiej Akademii Nauk. Dokumenty te również eksplorują heterogeniczny aspekt ekspansji kosmosu. “Obecne uzyskiwane rezultaty są bardzo interesujące, gdyż jednym z kluczy leżących u podstaw rozumienia wszechświata jest fakt, że jest izotropijny i wygląda tak samo w każdym z kierunków”, skomentował te informacje astrofizyk Geiraint Lewis z Uniwersytetu w Sidney.

“Za kilka lat, ilość obserwowanych supernowych, znajdujących się daleko od nas zdecydowanie wzrośnie i wiemy z cała pewnością, że dane jakie otrzymamy będą prawdziwe”.

Obecny model kosmologiczny

Od momentu odkrycia przyspieszenia kosmicznego w roku 1998, gwiezdne eksplozje supernowych typu Ia (SNIa), stały się ważnym narzędziem określającym kosmologiczne parametry oraz oceniające rozszerzanie się naszego Wszechświata.

Standardowy model kosmologiczny został uformowany przez ogólną zgodę fizyków i kosmologów, opartą na wspólnej analizie danych z SNIa wraz z innymi prowadzonymi obserwacjami, jak na przykład duża skala struktury wszechświata czy mikrofalowego promieniowania tła – rodzaj promieniowania o rozkładzie termicznym energii, czyli widmie ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,7249-2,7252 K. Uważa się, że to promieniowanie wypełnia cały nasz widzialny wszechświat.

Obecnie uznawany model zakłada, że prawa fizyki są te same dla każdego miejsca we wszechświecie – za wyjątkiem ekstremalnych miejsc, jak wnętrze czarnej dziury – a także, że przyspieszenie i rozszerzanie się wszechświata dzieje się równomiernie w każdym kierunku, stosując się do zasad izotropijności oraz homogeniczności, która jest uznawana, za kosmologiczne prawo.

Nowe badania – jeśli zostaną potwierdzone – będą oznaczać, że prawa fizyki w kosmosie mogą być różne w zależności od miejsca badanego obiektu. Taki fakt wpłynąłby na wielkie utrudnienia w pełnym zrozumieniu nie tylko ewolucji wszechświata, ale także jego pochodzenia. Przykładowo, jeśli prawa fizyki byłyby odmienne w innych częściach kosmosu, znaczyłoby to, że wszystko co wiemy o naturze, byłoby zarezerwowane jedynie do małej porcji wszechświata w której się znajdujemy, a jej zachowanie w pozostałej części pozostałoby enigmatyczne.

Oba zespoły badaczy uruchomiły analizę półkól, porównując prędkość supernowych znajdujących się na północnej półkuli, do tych na południowej. Półkule zostały określone z użyciem płaszczyzny orbitalnej Drogi Mlecznej jako równika. Analiza danych ukazała, że wybrana oś anizotropii znajduje się na północnej półkuli. Sugeruje to, że północna część nieba reprezentuje tę część wszechświata, która rozszerza się na zewnątrz, z większym przyspieszeniem niż w innych miejscach.

Wszechświat zamiast rozszerzać się jako doskonała, kulista bańka, byłby zatem bardziej zbliżony do kształtu jajka lub o innej asymetrycznej ekspansji, co oznaczałoby, że widzialny koniec wszechświata, jaki obserwujemy znajdowałby się w różnych odległościach od punktu obserwacyjnego.

Analiza statystyczna

Oba zespoły przyznały jednak, że analiza statystyczna niekoniecznie koresponduje z tymi znaczącymi rezultatami, jednak umacnia ich odkrycia przez pociągające naukowców dane z kosmicznego promieniowania tła (CMB). Wszystkie te dane osobno nie są statystycznie żadnymi znaczącymi odkryciami, jednak składając tę wiedzę odnośnie anomalii razem, staje się ona czymś wyjątkowym i wartym uwagi. Innymi słowy – każdy pojedynczy i mały element badań nie wydaje się symptompatyczny i istotny, jednak złożenie wszystkich elementów daje wymowne rezultaty.

Inni badacze, jak kosmolog John Webb z Uniwersytetu New South Wales w Sydney, pracuje nad podobnym problemem. “Istnieje kilka niezależnie prowadzonych obserwacji, które podpowiadają odejście od stosowania izotropii w dużej skali. Pozostaje zatem wciąż możliwość, że kosmologiczne prawa są jedynie prawdziwe w przybliżeniu”.

Jest za wcześnie, aby mówić, że rezultaty są definitywnie i ostateczne. Inni badacze mają odmienne opinie dotyczące co może być powodem anizotropii lub  właściwości kierunkowych zależności. Tamara Davis jest jedną z prowadzących zespół kosmologów w Australijskiem WiggleZ Dark Energy Survey i pozostaje pełna rezerwy do obecnych odkryć. “Wydaje się być to podejrzane, że wyrównanie jest w przybliżeniu prostopadłe do Drogi Mlecznej, co może być również obserwacyjnym efektem, którego nie w pełni rozumiemy”.

“Dalsze rezultaty są zgodne z modelem ciemnej energii (formą energii, która wypełnia całą przestrzeń i wywiera na nią ujemne ciśnienie, wywołując rozszerzanie się Wszechświata), która została niedawno potwierdzona przez nasz zespół, ale nie pokrywają się z danymi związanymi z wczesnymi ziarnami fluktuacji wszechświata”, skomentowała na koniec.

Źródło: ArXiv Journal