Multiverse-teoria, jonka mukaan universumeja voi olla useita tai jopa ääretön määrä, on aika kunnioitettu käsite kosmologiassa ja teoreettisessa fysiikassa. Vaikka termi ulottuu 1800-luvun loppupuolelle, tämän teorian tieteellinen perusta syntyi kvanttifysiikasta ja kosmologisten voimien, kuten mustien reikien, singulaarisuuksien ja ison räjähdyksen teoriasta johtuvien ongelmien tutkimuksesta.
Yksi polttavimmista kysymyksistä tämän teorian suhteen on se, voisiko elämä olla olemassa monissa maailmankaikkeuksissa. Jos todellakin fysiikan lait muuttuvat universumista toiseen, mitä tämä voi tarkoittaa itse elämälle? Kansainvälisten tutkijoiden ryhmän uuden tutkimussarjan mukaan elämä voi olla yhteistä koko Multiversessa (jos sitä todella on).
Tutkimukset, joiden otsikko on ”Pimeän energian vaikutus galaktien muodostumiseen. Mitä maailmankaikkeuden tulevaisuus pitää yllä? ” ja ”galaktien muodostumisen tehokkuus ja kosmologisen vakion monitahoinen selitys EAGLE-simulaatioilla”, ilmestyi äskettäin Kuukausittaiset ilmoitukset Royal Astronomical Society -tapahtumasta. Aikaisempaa tutkimusta johti Jaime Salcido, jatko-opiskelija Durhamin yliopistossa
Jälkimmäistä johti Sydneyn yliopiston John Templetonin tutkija Luke Barnes Sydneyn tähtitieteen instituutti. Molemmissa ryhmissä oli jäseniä Länsi-Australian yliopiston kansainvälisestä radiotähtitutkimuskeskuksesta, Liverpool John Moores -yliopiston astrofysiikan tutkimuslaitoksesta ja Leidenin yliopiston Leidenin observatoriosta.
Yhdessä tutkimusryhmä pyrki selvittämään, kuinka kosmoksen kiihtynyt laajentuminen olisi voinut vaikuttaa tähti- ja galaksi-muodostumisnopeuteen maailmankaikkeudessa. Tämä kiihtyvä laajentumisnopeus, joka on olennainen osa Lambda-kylmän pimeän aineen (Lambda-CDM) -kosmologiamallia, syntyi Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian aiheuttamista ongelmista.
Einsteinin kenttäyhtälöiden seurauksena fyysikko ymmärsi, että maailmankaikkeus olisi joko laajenemis- tai supistustilassa Ison räjähdyksen jälkeen. Vuonna 1919 Einstein vastasi ehdottamalla ”kosmologista vakioita” (edustaa Lambda), joka oli voima, joka ”pidätti” painovoiman vaikutuksia ja varmisti siten, että maailmankaikkeus oli staattinen ja muuttumaton.
Pian sen jälkeen Einstein vetäytyi ehdotuksestaan, kun Edwin Hubble paljasti (perustuen muiden galaksien punasiirtymittauksiin), että maailmankaikkeus oli todellakin laajenemisen tilassa. Einstein ilmeisesti meni niin pitkälle, että julisti kosmologisen jatkuvuuden ”uransa suurimmaksi vikaksi”. 1990-luvun lopun kosmologisen laajentumisen tutkimus kuitenkin aiheutti hänen teoriansa uudelleenarvioinnin.
Lyhyesti sanottuna meneillään olevat laajamittaisen maailmankaikkeuden tutkimukset paljastivat, että viimeisen 5 miljardin vuoden aikana kosminen laajentuminen on kiihtynyt. Sellaisenaan tähtitieteilijät alkoivat olettaa salaperäisen, näkymättömän voiman olemassaoloa, joka veti tätä kiihtyvyyttä. Tätä voimaa kutsutaan myös nimellä tumma energia (Dark Energy), ja sitä kutsutaan myös kosmologiseksi vakiona (CC), koska se vastaa painovoiman vaikutusten vastatoiminnasta.
Siitä lähtien astrofysiikit ja kosmologit ovat pyrkineet ymmärtämään, kuinka Dark Energy olisi voinut vaikuttaa kosmiseen evoluutioon. Tämä on kysymys, koska nykyiset kosmologiset mallimme ennustavat, että universumissamme on oltava enemmän pimeää energiaa kuin on havaittu. Suurempien pimeän energian määrien kirjanpito aiheuttaisi kuitenkin niin nopean laajentumisen, että se laimentaisi aineen ennen kuin tähtiä, planeettoja tai elämää voisi muodostua.
Siksi ensimmäisessä tutkimuksessa Salcido ja joukkue pyrkivät selvittämään, kuinka enemmän pimeää energiaa voi vaikuttaa tähtiä muodostuvaan nopeuteen maailmankaikkeudessa. Tätä varten he suorittivat hydrodynaamisia simulaatioita EAGLE-projektin (Evolution and Assembly of GaLaxies and nende Environments) avulla - yksi realistisimmista havaitun maailmankaikkeuden simulaatioista.
Näitä simulaatioita käyttämällä ryhmä harkitsi vaikutuksia, jotka Dark Energyllä (havaitulla arvollaan) olisi tähtien muodostumiseen viimeisen 13,8 miljardin vuoden aikana ja vielä 13,8 miljardin vuoden ajan tulevaisuuteen. Tästä lähtien ryhmä kehitti yksinkertaisen analyyttisen mallin, joka osoitti, että pimeällä energialla - huolimatta kosmisen laajentumisnopeuden erotuksesta - on merkityksetön vaikutus tähtiä muodostuvaan maailmankaikkeuteen.
Lisäksi he osoittivat, että lambdan vaikutuksesta tulee merkittävä vain vasta, kun maailmankaikkeus on jo tuottanut suurimman osan tähtimassastaan ja aiheuttaa tähtien muodostumisen kokonaistiheyden pienenemisen vain noin 15%. Kuten Salcido selitti Durhamin yliopiston lehdistötiedotteessa:
”Monille fyysikoille selittämätön, mutta näennäisesti erityinen määrä tummaa energiaa universumissamme on turhauttava palapeli. Simulaatiomme osoittavat, että vaikka maailmankaikkeudessa olisi paljon enemmän tummaa energiaa tai jopa hyvin vähän, sillä olisi vain minimaalinen vaikutus tähti- ja planeettamuodostukseen, mikä lisää mahdollisuuksia, että elämä voisi olla olemassa koko Multiverse-alueella. "
Toisessa tutkimuksessa ryhmä käytti samaa EAGLE-yhteistyön simulaatiota tutkiakseen vaihtelevan CC-asteen vaikutuksen muodostumiseen galakseihin ja tähtiin. Tämä koostui niiden universumien simuloimisesta, joiden lambda-arvot vaihtelivat välillä 0-300 kertaa nykyisessä universumissamme havaitun arvon verran.
Koska maailmankaikkeuden tähtien muodostumisaste oli huipussaan noin 3,5 miljardissa vuodessa ennen kiihtyvän laajentumisen alkamista (noin 8,5 miljardia vuotta sitten ja 5,3 miljardia vuotta Ison räjähdyksen jälkeen), CC: n lisäyksillä oli vain pieni vaikutus nopeuteen tähtien muodostumisesta.
Yhdessä nämä simulaatiot osoittivat, että monikokoisessa osassa, jossa fysiikan lait saattavat vaihdella suuresti, enemmän pimeän energian kosmisella kiihdytetyllä laajentumisella ei olisi merkittävää vaikutusta tähtijen tai galaksien muodostumisnopeuteen. Tämä puolestaan osoittaa, että muut Multiverse-yliopistot olisivat ainakin teoriassa melkein yhtä asuttavia kuin omat. Kuten tohtori Barnes selitti:
”Multiverse-tuotteen ajateltiin aiemmin selittävän tumman energian havaittua arvoa arpajaisina - meillä on onnekas lippu ja elämme universumissa, joka muodostaa kauniita galakseja, jotka sallivat elämän sellaisena kuin me sen tunnemme. Työmme osoittaa, että lippu näyttää siltä niin vähän onnekkaalta. Se on erityisempi kuin sen täytyy olla elämää varten. Tämä on multiversion ongelma; palapeli jää. ”
Ryhmän tutkimukset herättävät kuitenkin myös epäilyksiä Multiverse-teorian kyvystä selittää tumman energian havaittu arvo universumissamme. Heidän tutkimuksensa mukaan, jos elämme moniosassa, havaitsisimme jopa 50 kertaa enemmän pimeää energiaa kuin mitä olemme. Vaikka niiden tulokset eivät sulje pois Multiverssin mahdollisuutta, pieni havaittavissa oleva tumman energian määrä selitetään paremmin vielä olemassa olevaan luonnonlakiin.
Kuten professori Richard Bower, Durhamin yliopiston laskennallisen kosmologian instituutin jäsen ja avustajan kirjoittanut, selitti:
“Tähteiden muodostuminen maailmankaikkeudessa on taistelu painovoiman vetovoiman ja tumman energian torjumisen välillä. Olemme havainneet simulaatioissamme, että universumit, joissa on paljon enemmän pimeää energiaa kuin meidän, voivat onneksi muodostaa tähtiä. Joten miksi niin vähäinen määrä tummaa energiaa universumissamme? Mielestäni meidän pitäisi etsiä uutta fysiikan lakia selittääksemme tämän universumin omituisen ominaisuuden, ja Multiverse-teoria ei juurikaan pelasta fyysikoiden epämukavuutta. "
Nämä tutkimukset ovat ajankohtaisia, koska ne tulevat Stephen Hawkingin lopullisen teorian kannalle, joka asetti kyseenalaiseksi Multiverssin olemassaolon ja ehdotti sen sijaan äärellistä ja kohtuullisen sileää maailmankaikkeutta. Periaatteessa kaikki kolme tutkimusta osoittavat, että keskustelu siitä, elämmekö multiverssissä vai ei ja pimeän energian roolista kosmisessa evoluutiossa, ei ole vielä kaukana. Mutta voimme odottaa seuraavan sukupolven virkamatkoja, jotka tarjoavat hyödyllisiä vihjeitä tulevaisuudessa.
Näihin kuuluvat James Webbin avaruuskaukoputki (JWST), Laajakenttäinen infrapunakaukoputki (WFIRST) ja maanpäälliset observatoriat, kuten Neliökilometrijono (SKA). Aurinkokuntamme eksoplaneettojen ja esineiden tutkimuksen lisäksi tämä tehtävä on omistettu tutkimaan kuinka ensimmäiset tähdet ja galaksit muodostuivat ja määrittelemään Dark Energyn rooli.
Lisäksi kaikkien näiden operaatioiden odotetaan saavan ensimmäisen valonsa joskus 2020-luvulla. Joten pysy kuulolla, koska lisätietoja - kosmologisilla vaikutuksilla - saapuu vain muutaman vuoden kuluttua!
