En undersøgelse offentliggjort i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) præsenterer en metode til at teste antagelsen om kosmisk homogenitet og isotropi, kendt som det kosmologiske princip, ved at udnytte svag gravitationslinse – en lysforvrængningseffekt beskrevet af generel relativitet – i astronomiske billeder indsamlet ved nye observatorier, såsom EUCLID -rumtelescopet. At finde bevis for afvigelser i det kosmologiske princip kunne have dybe konsekvenser for vores nuværende forståelse af universet.
“Det kosmologiske princip er som en ultimativ form for ydmyghed,” forklarer James Adam, astrofysiker ved University of the Western Cape, Cape Town, Sydafrika og hovedforfatter af det nye papir. I henhold til det kosmologiske princip er vi ikke kun ikke i centrum af universet, men et sandt center eksisterer ikke.
En yderligere antagelse, der ligner men distinkt og uafhængig af homogenitet, er, at universet også er isotropisk, hvilket betyder, at det ikke har nogen foretrukne retninger. Disse antagelser ligger til grund for standardmodellen for kosmologi, den teoretiske ramme, der blev brugt til at forklare oprindelsen, evolutionen og universets aktuelle tilstand. Det er i øjeblikket den mest robuste og konsistente model, verificeret af adskillige videnskabelige observationer, men endnu ikke perfekt.
Faktisk antyder nogle nylige kosmologiske observationer, at der i ekstremt store skalaer kan være anisotropier – variationer i universets struktur, der udfordrer antagelsen om isotropi.
Disse afvigelser er blevet identificeret ved hjælp af forskellige metoder og inkluderer modstridende målinger af universets ekspansionshastighed, undersøgelser af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling og forskellige uoverensstemmelser i kosmologiske data. Imidlertid er disse observationer endnu ikke afgørende.
For at udelukke målefejl skal der indsamles flere data ved hjælp af uafhængige metodologier. Hvis flere teknikker bekræfter de samme afvigelser, ville deres eksistens blive meget sværere at afvise.
Den nye undersøgelse offentliggjort i JCAP Af Adam og kolleger udviklede en ny metode til at teste universets isotropi ved hjælp af observationer fra instrumenter som Euclid. Euclid er et ESA -rumteleskop, der blev lanceret i 2023, som lige er begyndt at producere billeder af kosmos med en hidtil uset magt, præcision og opløsning.
“Vi undersøgte en anden metode til begrænsning af anisotropi, der involverede såkaldt svag gravitationslinse,” siger Adam. Svagt linse opstår, fordi stof mellem os og en fjern galakse bøjer let galakseens lys og ændrer dens tilsyneladende form. Denne specifikke type forvrængning kan afsløre, om der findes anisotropier i universet.
Faktisk giver analysen af svage linsedata forskere mulighed for at adskille signalet i to komponenter: e-mode-forskydning, som genereres af fordelingen af stof i et isotropisk og homogent univers, og B-mode-forskydning, som typisk er meget svag og bør ikke vises på store skalaer i et isotropisk univers.
Det ville ikke være nok til at bekræfte anisotropier, da disse signaler er meget svage og kan være resultatet af målefejl eller sekundære effekter.
Hvis en anisotropi er reel, vil det påvirke både e-moder og B-moder på en ikke-uafhængig måde, hvilket genererer en sammenhæng mellem de to signaler. Kun hvis Euclids data afslører en signifikant sammenhæng mellem E- og B-moder, ville det antyde en anisotropisk ekspansion af universet.
Næste trin og mulige implikationer
I deres undersøgelse simulerede Adam og kolleger virkningerne af en anisotropisk universudvidelse på en computer og udviklede en model, der beskriver, hvordan afvigelser fra isotropi ville ændre det svage linse signal.
De beregnet derefter EB-krydskorrelationen for at demonstrere, at et anisotropisk univers ville producere en sammenhæng mellem de to signaler og anvendte deres model på fremtidige eukliddata, hvilket viser, at disse observationer vil være præcise nok til at detektere potentielle anisotropier.
Euclid er allerede begyndt at give nyttige data til disse analyser, og nye observatorier kommer snart online. Nu hvor de har udviklet den rette metode, har Adam og hans kolleger til hensigt at anvende det på reelle data.
“Når du først har firedoblet kontrolleret dit arbejde, skal du overveje alvorligt, om denne grundlæggende antagelse faktisk er sand eller ej, især i det sene univers. Eller måske var det bare aldrig sandt,” forklarer Adam.
Hvis disse afvigelser bekræftes, åbnede de et nyt kapitel i kosmologi. Det vil dog ikke være let: der er allerede alternative teoretiske modeller, der forudsiger anisotropier, men ingen er så solide eller bredt accepteret som standardmodellen.
Imidlertid vil enhver teoretisk revision også afhænge af omfanget af den anisotropi, der kunne påvises, hvilket forbliver usikkert. “Det kan være en alvorlig revision,” afslutter Adam, “eller bare tilføjer en lille periode her eller der. Hvem ved det?”