Es mag Risse in der Raumzeit geben, aber die Teleskope der Menschheit können sie nicht sehen.
Die Risse, falls vorhanden, sind alte Überreste einer Zeit kurz nach dem Urknall, als das Universum gerade von einem heißeren, fremderen Zustand in einen kühleren, bekannteren Zustand übergegangen war, den wir heute sehen. Diese große Abkühlung, die Physiker als "Phasenübergang" bezeichnen, begann an einigen Stellen früher als an anderen, so die Theorie. Blasen des kühleren Universums bildeten sich und breiteten sich aus, blühten über den Raum, bis sie auf andere Blasen trafen. Schließlich wandelte sich der gesamte Raum und das alte Universum verschwand.
Aber dieser alte, energiereiche Zustand könnte an den Grenzen zwischen den Blasen weitergelebt haben, Risse in der Struktur der Raumzeit, in der sich diese Kühlregionen trafen und nicht perfekt zusammen passten. Einige Physiker dachten, wir könnten immer noch Hinweise auf diese Risse oder Defekte - bekannt als "kosmische Saiten" - im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) sehen, der Wärme, die vom gewaltsamen Auftauchen des Universums übrig geblieben ist. Laut einer neuen Veröffentlichung wären diese Beweise jedoch einfach zu schwach, als dass ein Teleskop sie jemals gegen den Lärm erkennen könnte.
Kosmische Strings sind schwer vorstellbare Objekte, sagte Oscar Hernández, Physiker an der McGill University in Montreal und Co-Autor des Papiers. Aber sie haben Analoga in unserer Welt.
"Sind Sie auf einem zugefrorenen See gelaufen? Haben Sie Risse im gefrorenen Seeeis bemerkt? Es ist immer noch ziemlich fest. Es gibt nichts zu befürchten, aber es gibt Risse", sagte Hernández zu Live Science
Diese Risse bilden sich durch einen ähnlichen Phasenübergangsprozess wie kosmische Ketten.
"Eis ist Wasser, das einen Phasenübergang durchlaufen hat", sagte er. "Wassermoleküle konnten sich frei als Flüssigkeit bewegen, und dann fingen sie plötzlich irgendwo an, sich zu einem Kristall zu formen. ... Es beginnt sich in Fliesen zu fliesen, die Sechsecke sind. Stellen Sie sich nun vor, Sie hätten Fliesen, die perfekt sind Sechsecke und Kacheln damit. Wenn jemand am anderen Ende des Sees wieder anfängt zu kacheln, "besteht im Wesentlichen keine Chance, dass Ihre Kacheln ausgerichtet werden.
Unvollkommene Treffpunkte auf einer gefrorenen Seeoberfläche bilden lange Risse. In dem Stoff, in dem sich Raum und Zeit überschneiden, bilden sie kosmische Ketten - wenn die zugrunde liegende Physik korrekt ist.
Im Weltraum gibt es nach Ansicht der Forscher Felder, die das Verhalten von Grundkräften und Partikeln bestimmen. Die ersten Phasenübergänge des Universums haben diese Felder ins Leben gerufen.
"Es könnte ein Feld geben, das sich auf ein Partikel bezieht, das in gewissem Sinne 'eine Richtung zum Einfrieren und Abkühlen wählen muss'. Und da das Universum wirklich groß ist, könnte es verschiedene Richtungen in verschiedenen Teilen des Universums wählen ", sagte er. "Wenn dieses Feld bestimmten Bedingungen gehorcht ... dann, wenn sich das Universum abgekühlt hat, wird es Linien der Diskontinuität geben, es wird Linien der Energie geben, die sich nicht abkühlen können."
Heute würden diese Treffpunkte als unendlich dünne Energielinien durch den Raum erscheinen.
Das Finden dieser kosmischen Strings wäre eine große Sache, da sie ein weiterer Beweis dafür wären, dass die Physik größer und komplizierter ist, als es das aktuelle Modell zulässt, sagte Hernández.
Derzeit ist die fortschrittlichste Theorie der Teilchenphysik, die nach Ansicht der Forscher endgültig bewiesen wurde, als Standardmodell bekannt. Es enthält die Quarks und Elektronen, aus denen Atome bestehen, sowie exotischere Teilchen wie das Higgs-Boson und die Neutrinos.
Die meisten Physiker glauben jedoch, dass das Standardmodell unvollständig ist. Wie Live Science bereits berichtet hat, gibt es alle möglichen Ideen, wie man es erweitern kann, von supersymmetrischen Partikeln (dh dem "Stau Slepton") bis zur Superstringtheorie - die Idee, dass alle Partikel und Kräfte als winzige Schwingungen erklärt werden können , mehrdimensionale "Strings". (Hinweis: Die "Strings" der Superstringtheorie sind nicht dasselbe wie kosmische "Strings". Es gibt nur so viele Metaphern, und manchmal verwenden Physiker in verschiedenen Bereichen eine wieder.)
"Viele Erweiterungen des Standardmodells, die die Leute wirklich mögen - wie viele Superstringtheorien und andere - führen natürlich zu kosmischen Strings, nachdem die Inflation stattgefunden hat", sagte Hernández. "Was wir also haben, ist ein Objekt, das von sehr vielen Modellen vorhergesagt wird. Wenn sie also nicht existieren, sind alle diese Modelle ausgeschlossen. Und wenn sie existieren, oh mein Gott, sind die Menschen glücklich."
Seit 2017 besteht großes Interesse daran, Zeichenfolgen in der CMB zu erkennen. Hernández und sein Co-Autor haben in ihrem Artikel geschrieben, der am 18. November in der arXiv-Datenbank veröffentlicht und noch nicht von Experten begutachtet wurde.
Hernández hatte zusammen mit Razvan Ciuca vom Marianopolis College in Westmount, Quebec, in der Vergangenheit argumentiert, dass ein Faltungs-Neuronales Netzwerk - eine leistungsstarke Art von Musterfindungssoftware - das beste Werkzeug wäre, um Beweise für die Zeichenfolgen in CMB zu finden.
Unter der Annahme einer perfekten, rauschfreien Karte des CMB haben sie in einem separaten Artikel aus dem Jahr 2017 geschrieben, dass ein Computer, auf dem ein solches neuronales Netzwerk ausgeführt wird, in der Lage sein sollte, kosmische Strings zu finden, selbst wenn ihre Energieniveaus (oder "Spannung") bemerkenswert niedrig sind.
Bei einem erneuten Besuch des Themas in diesem neuen Papier aus dem Jahr 2019 haben sie jedoch gezeigt, dass es in der Realität mit ziemlicher Sicherheit unmöglich ist, ausreichend saubere CMB-Daten für das neuronale Netzwerk bereitzustellen, um diese potenziellen Zeichenfolgen zu erkennen. Andere, hellere Mikrowellenquellen verdecken den CMB und sind schwer vollständig zu entwirren. Selbst die besten Mikrowelleninstrumente sind nicht perfekt, mit begrenzter Auflösung und zufälligen Schwankungen in der Aufzeichnungsgenauigkeit von einem Pixel zum nächsten. All diese und weitere Faktoren summieren sich zu einem Informationsverlust, den keine aktuelle oder geplante Methode zur Aufzeichnung und Analyse des CMB jemals überwinden kann, schrieben sie. Diese Methode, kosmische Fäden zu jagen, ist eine Sackgasse.
Das heißt aber nicht, dass alles verloren ist, schrieben sie.
Eine neue Methode zur Jagd auf kosmische Strings basiert auf Messungen der Expansion des Universums in alle Richtungen über alte Teile des Universums. Diese Methode - 21-Zentimeter-Intensitätskartierung genannt - beruht nicht auf der Untersuchung der Bewegungen einzelner Galaxien oder auf präzisen Bildern des CMB, sagte Hernández. Stattdessen basiert es auf Messungen der Geschwindigkeit, mit der sich Wasserstoffatome im Durchschnitt in allen Teilen des Weltraums von der Erde entfernen.
Die besten Observatorien für 21-cm-Kartierungen (so genannt, weil Wasserstoff elektromagnetische Energie mit einer verräterischen Wellenlänge von 21 cm emittiert) sind noch nicht online. Aber wenn sie ankommen, schreiben die Autoren, gibt es Hoffnung auf klarere Beweise für kosmische Strings in ihren Daten. Und dann, sagte Hernández, kann die Jagd von neuem beginnen.
