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Der Kosmos könnte Fehler in der Raumzeit haben, die von seiner Entstehung übrig geblieben sind

Das Universum sollte voller Risse sein, die von der Entstehung des Universums übrig geblieben sind.

Wir alle haben vom Urknall gehört: der explosiven Entstehung von allem im Universum von einem einzigen, unendlich kleinen und unendlich heißen Punkt ausschau nach oben und beobachte alles.

Es ist schwer zu ergründen, aber es gibt überall um uns herum Beweise für den Urknall. Es kommt in Form von kosmischer Hintergrund-Mikrowellenstrahlung, die das beobachtbare Universum durchdringt. Und – wenn einige Physiker Recht haben – gibt es auch Risse,wie superdünne Fäden, im Gefüge der Raumzeit, verursacht durch die Expansion und Abkühlung des Universums.

Diese kosmischen Saiten, nicht zu verwechseln mit Strings der Stringtheorie, wäre dünner als ein Proton, aber mit immenser Masse und Dichte, genug, um möglicherweise die Entwicklung des frühen Universums durch seine Anziehungskraft zu beeinflussen.

Obwohl diese Saiten im Laufe der Zeit wahrscheinlich verschwunden sind, hoffen die Wissenschaftler, dass sie ihre Existenz enthüllen und die Bedingungen des Universums und seine Entwicklung in den Momenten nach dem Urknall beleuchten.

Das Universum direkt nach dem Urknall

Vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren könnte das Universum in einen Punkt passen, der kleiner ist als selbst das kleinste subatomare Teilchen, kleiner sogar als die Quarks, die zusammen die gesamte Materie im Universum bilden.

Dieser unendlich winzige Punkt wäre ebenfalls unendlich heiß gewesen, da all diese Materie überhaupt keine Materie war, sondern eine vereinte Superkraft: die kombinierte Schwerkraft, elektromagnetische Kraft, schwache Kernkraft und die starke Kernkraft.

Nach einer Planck-Zeiteinheit 10-43 Sekunden, die kleinstmögliche messbare Zeiteinheit vom Urknall stürzte die Temperatur des Universums auf laue 1029 Grad Kelvin und Gravitation spalten sich von den anderen Kräften ab.

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bei ungefähr 10-36 Sekunden, als die Anfangstemperatur weiter sank, eine zweite fundamentale Kraft, die starke Kernkraft, getrennt von den anderen, so dass die einzige elektroschwache Kraft in einem vereinten Zustand bleibt. Die kosmische Inflation beginnt nun und das Universum wächst um den Faktor 1026, in ungefähr der gleichen Zeit wie nach dem Urknall, bis die starke Atomkraft ihren eigenen Weg gegangen ist.

Um etwa 10-12 Sekunden nach dem Urknall kühlt sich die Temperatur auf etwa ab1012 Kelvin und die letzten fundamentalen Kräfte, elektromagnetische und nukleare schwache Kräfte, werden deutlich. Matter, in Form von Quarks und Leptonen beginnt zu entstehen.

Für eine relativ lange Zeit danach passiert nicht viel, aber irgendwann um 10-6 Sekunden nach dem Urknall bilden sich zwei Arten von Leptonen, Elektronen und Neutrinos.

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In der verbleibenden Zeit vor Ablauf der ersten Sekunde sinkt die Temperatur des Universums um den Faktor 1000 auf nur noch 1010 Kelvin und Quarks beginnen sich zu Hadronen zu verbinden. Dazu gehören das Proton und das Neutron.

Es dauert eine wahre Ewigkeit, bis sich Helium und andere schwerere Elemente bilden, aber sie tun es schließlich ein paar Minuten nach dem Urknall, wenn die Temperatur des Universums etwa 10.000.000 Grad Kelvin beträgt.

Schneller Vorlauf bis etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall, und Strahlung und Materie unterscheiden sich in einem Universum, das im Durchschnitt etwa 3.000 Kelvin hat.

Wenn du jemals Alien 3 gesehen hast und warstverwirrt durch das Schicksal des antagonistischen Xenomorphs am Ende, vielleicht sehen Sie das Problem mit dieser Zeitleiste nicht, aber überhitzte Objekte weisen seltsame Eigenschaften auf ... wie jeder, der jemals eine Keramikplatte verwendet hat, um einen Topf mit kochendem Reis zu bedecken frag nicht, es war College und ich war dumm kann es dir sagen.

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Kurz gesagt, es gibt Dinge passiert gerade jetzt wegen der extremen Temperatur mit dem Gefüge der Raumzeit.

Was sind kosmische Strings?

Quelle: Chris Ringeval/Wikimedia Commons

Die Sache mit überhitzten Objekten, sogar dem Universum, ist, dass sie nicht gleichmäßig abkühlen.

Für den Kontext, die oben erwähnte Keramikplatte fühlte sich an einer Stelle ihrer Oberfläche etwa 255 Grad Fahrenheit an und kühlte an einer anderen Stelle entlang ihrer Kante schnell auf Raumtemperatur ab.

Dieser Temperaturunterschied verwandelte meine Keramikplatte in eine Art Bombe zum Glück wurde niemand verletzt, und dieselbe Dynamik hatte zumindest theoretisch eine interessante Wirkung auf das frühe Universum.

Als sich Blasen des kühleren Universums zu bilden begannen, kamen ihre Grenzen mit anderen Blasen mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt, wodurch ungleichmäßige Bruchlinien zwischen ihnen entstanden, ähnlich wie Risse in der Oberfläche eines gefrorenen Sees.

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Diese Risse wären unglaublich dünn und von unterschiedlicher Länge gewesen, aber ihre Masse und damit ihre Dichte und Anziehungskraft wären enorm gewesen. Eine Meile lange Strecke einer solchen Schnur hätte mehr gewogen als die Erde.

Diese Fäden hätten sich in den ersten Nanosekunden der Existenz des Universums ihren Weg durch das frühe Universum gesponnen und sich bei der Expansion des Universums über seine Gesamtheit gedehnt, und die Spannung dieser Dehnung hätte die Fäden allein durch die Gravitationsschwingung aus der Existenz gebracht.

Einige Wissenschaftler fragten sich, ob das Magnetfeld dieser Saiten lange genug anhielt, um einen Eindruck im Universum zu hinterlassen, der heute noch beobachtbar sein könnte. Und 2010 veröffentlichte ein Forschungsteam der University of Buffalo, NY, eine argumentative Arbeitdass sie ein solches Artefakt in der Orientierung alter Quasare gefunden hatten.

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Konnten Wissenschaftler sie beobachten?

Das Gravitationswellen-Observatorium Jungfrau in Italien | Quelle: Die Jungfrau-Kollaboration

Wissenschaftler konnten diese kosmischen Strings nicht direkt beobachten, aber Robert Poltis und Dejan Stojkovic veröffentlichten eine Studie in der Physical Review Letters das heißt, dass die Achsen einer Sammlung von fast 200 Quasaren, den supermassiven Schwarzen Löchern im Zentrum der meisten Galaxien, die sich in einigen der ältesten Galaxien der Welt befinden, so ausgerichtet waren, dass sie einen zu guten Bogen bildeten-gebildet, um das Ergebnis des einfachen Zufalls zu sein.

Sie vermuten, dass dies durch das Magnetfeld zweier ursprünglicher kosmischer Strings beeinflusst worden sein könnte, was einige der ersten echten Beweise für ihre Existenz darstellen könnte.

"Es ist noch früh zu sagen, dass diese Arbeit Beweise für kosmische Saiten gefunden hat. Es ist vielversprechend, die Wissenschaft ist solide, aber man sollte vorsichtig sein. Es werden Annahmen gemacht, die überprüft werden müssen." sagte Jon Urrestilla, von der Universität des Baskenlandes in Biskaya, Spanienob wirklich Saiten da waren."

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Ein weiteres vielversprechendes Merkmal ist, dass sich diese Saiten gebildet hätten, wenn das Universum dicht in ein Volumen gepackt war, das viele, viele Größenordnungen kleiner als seine aktuelle Größe war, die Saiten am Anfang auch dicht gepackt gewesen wären. Aber,Als sich das Universum ausdehnte, hätten sich diese Fäden ausgedehnt und sich schließlich überkreuzt.

Dieses Überkreuzen hätte Teile dieser kosmischen Saiten in vibrierende, gummibandartige Schleifen abgeknickt, deren Gravitationswellen im Universum noch messbar sein könnten.

Eine Gruppe von Forschern der Tufts University führte Supercomputer-Simulationen durch, um zu versuchen, zu bestimmen, wie viele dieser kosmischen String-Schleifen es im Universum geben könnte, und ihre Ergebnisse, die in einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie veröffentlicht wurdenPhysische Überprüfung D2014 schlug vor, dass die Anzahl solcher kosmischer String-Schleifen beträchtlich gewesen wäre, aber flüchtig.

Nach den Ergebnissen ihrer Simulationen könnte es Milliarden solcher Schleifen im Universum gegeben haben, was die Möglichkeit erhöht, dass die Gravitationswellen aus diesen Schleifen vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory LIGO oder ähnlichen Gravitationswellendetektoren detektiert werden könnten.

"Die Tufts-Gruppe hat mit den Saitensimulationen einen heroischen Job gemacht", sagte Tanmay Vachaspati , ein Physiker der Arizona State University in Tempe, der nicht an der Studie der Tufts University beteiligt war, "und sie legen wichtige Merkmale der Schleifenverteilung fest, die für die Vorhersage der Gravitationswellenemission und deren Auswirkungen auf das Timing von Pulsaren im Millisekundenbereich entscheidend sind."

Diese Gravitationswellensignaturen waren jedoch schwer fassbar, mit aHauptstudium mit mehr als 600 Beobachtungstagen sowohl von LIGO- als auch von Virgo-Gravitationswellen-Observatorien, die keine Gravitationswellen aufzeichnen, die auf eine kosmische String-Schleife zurückzuführen sind.

In Anbetracht der Tatsache, dass kosmische Strings Relikte der frühesten Momente des Universums sind, haben die Forscher auch auf dieses andere bekannte Relikt des frühen Universums, die kosmische Hintergrundstrahlung, geschaut, um zu sehen, ob kosmische Strings dort ihre Spuren hinterlassen haben könnten.

In einem 2019 auf dem Preprint-Server ArXiv veröffentlichten Papier [PDF], Forscher der McGill University in Montreal fanden heraus, dass dies mit den aktuellen Geräten oder Techniken wahrscheinlich nicht möglich ist, da die Spuren dieser Saiten einfach zu schwach waren, um sie zu sehen.

Es besteht jedoch immer noch die Hoffnung, dass sie irgendwann auftauchen.

"Viele Erweiterungen des Standardmodells, die die Leute wirklich mögen - wie viele Superstring-Theorien und andere - führen natürlich zu kosmischen Strings, nachdem die Inflation [nach dem Urknall] stattgefunden hat", Oscar Hernández, einer der Co-Autoren der Zeitungerzählt Live-Wissenschaft. "Wir haben also ein Objekt, das von sehr vielen Modellen vorhergesagt wird. Wenn sie also nicht existieren, werden alle diese Modelle ausgeschlossen. Und wenn sie existieren, oh mein Gott, die Leute sind glücklich."

Es besteht jedoch die Hoffnung, dass die sogenannte 21-cm-Bildgebung buchstäblich mehr Licht auf kosmische Strings werfen wird. Wasserstoff, das am häufigsten vorkommende Element im Universum und das allererste, das sich kurz nach der kosmischen Inflation bildet, strahlt elektromagnetische Strahlung mit einer Charakteristik aus21 cm Wellenlänge, und daher ist die Messung von Wasserstoff, während er durch kosmische Expansion durch das Universum getragen wird, ein vielversprechender Weg zur Identifizierung kosmischer Strings.

Die Messung dieser Wellenlänge befindet sich noch in den Anfängen, da 21-cm-Observatorien gerade erst online gehen.

Quelle: Daniel Dominguez von der Abteilung Bildung, Kommunikation & Öffentlichkeitsarbeit ECO des CERN

Ein weiterer aufregender potenzieller Beweis für kosmische Saiten kommt mit freundlicher Genehmigung des North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves NANOGrav.

Dieses Observatorium sammelte Daten von 45 verschiedenen Pulsaren, die Strahlungsstrahlen aussenden, während sie sich um ihre Achsen drehen, und Physiker entdeckten leichte Variationen im Timing der "Pulse", die sie aussendeten. Ursprünglich wurde angenommen, dass diese Variationen möglicherweisewaren das Ergebnis der Verschmelzung von Paaren sehr großer Schwarzer Löcher, aber andere argumentieren, dass diese Variationen der Beweis für kosmische Strings sein könnten, die sich als so schwer fassbar erwiesen haben.

"Wir haben gezeigt, dass kosmische Strings eine sehr gute Anpassung an das NANOGrav-Signal bieten, etwas besser als die mögliche alternative Quelle supermassiver Schwarzer-Loch-Binärdateien", John Ellis und Marek Lewicki, Forscher am King's College London und der Universität Warschau, erzählte Phys.org im Jahr 2020. "Außerdem haben wir gezeigt, dass unsere Hypothese in zukünftigen Gravitationswellen-Observatorien wie LISA einfach zu testen sein wird.

Ellis und Lewicki sind auch nicht allein. Kai Schmitz vom CERN argumentierte in einer aktuellen Studie in der ZeitschriftPhysical Review Letters, zusammen mit den Co-Autoren Simone Blasi und Vedran Brdar vom Max-Planck-Institut für Kernphysik, dass die in den Pulsardaten aufgezeichneten Gravitationswellen so etwas wie ein Gravitationsanalogon des kosmischen Mikrowellenhintergrunds sein könnten.

"Bisher wurden alle beobachteten Signale durch astrophysikalische Ereignisse wie die Verschmelzung von binären Schwarzen Löchern verursacht", sagte SchmitzPhys.org, ein ständig präsentes Signal, das uns aus allen Himmelsrichtungen erreicht."

Es könnte andere Ursachen für solche "Hintergrund"-Gravitationswellen als kosmische Strings geben, aber Schmitz und seine Co-Autoren glauben, dass kosmische Strings ein Nebenprodukt der Phasenübergänge aus dem extrem hochenergetischen Zustand beim Elektromagnetismus wären, die starke Kraft und die schwache Kraft waren alle vereint, sie hätten das frühe Universum in seinen Anfängen durchdrungen und sich bei seiner Expansion über seine Gesamtheit ausgebreitet, was zu den "Hintergrund"-Gravitationswellen führte.

"In diesem Fall ist es unwahrscheinlich, dass der Phasenübergang, der kosmische Strings hervorbringt, zu einem beobachtbaren Signal in Gravitationswellen selbst führt, entweder weil es einfach kein nennenswertes Signal erzeugt oder weil sich das Signal bei hohen, nicht beobachtbaren Frequenzen befindet," sagt Schmitz.

"Kosmische Strings jedoch, die Überbleibsel des Phasenübergangs, haben die Chance, ein großes Signal in Gravitationswellen zu erzeugen, das, wenn es entdeckt wird, uns über die Symmetrien und Kräfte verraten kann, die das Universum in den ersten Momenten seiner Existenz beherrschten."

Dennoch ist gesunde Skepsis angebracht, wie auch Schmitz einräumt: "Im Moment ist Vorsicht geboten, da noch nicht einmal klar ist, ob NANOGrav wirklich einen Gravitationswellen-Hintergrund entdeckt hat."

Was ist, wenn kosmische Strings existieren – oder zumindest hatte gibt es irgendwann?

Bei so vielen vielversprechenden Möglichkeiten, die es zu erkunden gilt, könnte die endgültige Bestätigung kosmischer Strings gleich um die Ecke sein – oder sie hätten überhaupt nicht existiert oder zumindest keine Spuren hinterlassen, die wir jemals entdecken könnten.

Laut der LIGO Scientific Collaboration [PDF], kosmische Strings hätten eine merkliche Spur auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund hinterlassen, die entstanden etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall. Der Gravitationseinfluss kosmischer Fäden hätte sich wie ein Gitter durch den gesamten kosmischen Mikrowellenhintergrund auf eine Weise verwoben, die heute noch sichtbar wäre, aber das ist nicht das, was wir sehen, wie Hernández in seiner Enttäuschung feststellte2019 Papier.

"Weltraumbasierte Experimente wie [the Cosmic Background Explorer] und [the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe] haben gezeigt, dass kosmische Strings keinen messbaren Beitrag zum [kosmischen Mikrowellenhintergrund] leisten, wodurch eine bedeutende Rolle kosmischer Strings ausgeschlossen wird."

Im Wesentlichen, selbst wenn kosmische Strings existierten, hätte ihr Gravitationseinfluss im Großen und Ganzen überhaupt nichts bewirkt.

Wenn sie jedoch existieren oder zumindest einmal existierten und wir einen Überrest oder ein Artefakt ihrer Existenz identifizieren könnten, wäre dies ein bedeutender Wegweiser in der Straßenkarte des Universums; ein astronomischer Überrest vonals der Elektromagnetismus, die starke Kraft und die schwache Kraft für die flüchtigsten Momente nach dem Ausbruch unseres Universums alle in einer einzigen Superkraft vereint waren.

Sie könnten auchbietet eine kritische Unterstützung für die Stringtheorie, was große Aufregung auslöste, nachdem es 1968 zum ersten Mal vorgeschlagen wurde, aber begonnen hat in Ungnade gefallen, da es keine soliden empirischen Beweise gibt seiner Gültigkeit.

Obwohl kosmische Strings theoretisch unglaublich dünne Strukturen sind, wären sie auch unglaublich lang, viele Millionen Lichtjahre lang und würden sich möglicherweise sogar über das gesamte beobachtbare Universum erstrecken.Die Strings der Stringtheorie werden unterdessen als eindimensionale Objekte in der Größenordnung von vorgeschlagenBosonen und Fermionen, die grundlegendsten Komponenten der Materie.

Einige vermuten jedoch, dass aString könnte im makroskopischen Maßstab existieren, sogenannte F-Strings, und üben den gleichen Einfluss auf das Universum aus, den kosmische Strings theoretisch haben. Wenn es kosmische Strings gibt, dann würde dies zumindest String-Theoretikern einen soliden Ausgangspunkt geben auf der Suche nach Beweisen, um eine Theorie zu untermauern das hat sich bewährt fast unmöglich durch Experimentieren zu testen.

Egal, auf welcher Seite der Stringtheorie ein Physiker steht, die Suche nach kosmischen Strings wäre also eine gewaltige Entwicklung, die es zu einem seltsam einigenden Unterfangen in einem oft zerstrittenen Gebiet macht. Die Herausforderung besteht natürlich darin, dorthin zu gelangen.

"Wenn wir kosmische Strings entdecken, wird es das Ergebnis des Jahrhunderts sein", Eugene Lim, ein Forscher am King's College London, der sich auf die Kosmologie des frühen Universums spezialisiert haterzählt dem Quanta Magazin im Jahr 2020. "Aber um Carl Sagan zu zitieren, 'außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise', und im Moment sind die Beweise etwas dünn."

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