Simulatie van kosmische snaren en de resulterende energiedichtheid. Credit: David Daverio, Université de Genève, using simulation data obtained at the CSCS
Topologische defecten in de ruimte zouden een fractie van een seconde na de oerknal kunnen zijn ontstaan. Simulaties van deze wormachtige structuren en een vergelijking tussen de simulaties en de kosmische achtergrondstraling zouden het bestaan ervan kunnen bewijzen.
Topologische defecten zijn geen zeldzaamheid: vooral op het gebied van faseveranderingen van vaste stoffen vormen ze een algemeen fenomeen. Vooral in kristallen kunnen ze voorkomen: als een deel van een kristal een faseverandering (m.a.w. een reorganisatie van het kristalraster) niet voltooit, ontstaat er een topologisch defect. Kosmische topografische defecten vormen een soortgelijk fenomeen: ze worden geacht te ontstaan als er een faseverandering optreed in het vacuüm van de ruimte. Dit zou vlak na de oerknal gebeurd kunnen zijn.De faseverandering had tot gevolg dat er in meerdere delen van het heelal verschillende “basis-staten” van het vacuüm zijn ontstaan. Op de plaats waar twee van deze “staten” elkaar ontmoeten, zouden topologische defecten moeten zijn ontstaan. Een voorbeeld hiervan zijn kosmische snaren: een triljoen keer kleiner dan een waterstofatoom en quasi-ééndimensionaal (quasi omdat ze enorm lang kunnen worden), maar met een enorme massa: vijf kilometer kosmische snaar weegt evenveel als de aarde! Topologische defecten zijn vroeger toegepast om het ontstaan van fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling te verklaren, waaruit grote structuren als sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels zijn ontstaan. Helaas hebben studies uitgewezen dat kosmische snaren deze effecten niet veroorzaakt kunnen hebben. Vandaar dat topologische defecten een tijd lang dood en begraven zijn geweest in de kosmologie. Met de opkomst van inflatiemodellen zijn ze echter weer tot leven gewekt. Kosmologen zijn zich namelijk gaan realiseren dat het integreren van inflatiemodellen in standaard deeltjesfysica onherroepelijk resulteert in het ontstaan van kosmische snaren.
Credit: David Daverio, Université de Genève, using simulation data obtained at the CSCS
Tijdens de inflatieperiode wordt het jonge universum geacht te zijn uitgedijt met een onvoorstelbare (en exponentieel groeiende) snelheid. In de meestgebruikte modellen is de inflatie geëindigd met een faseverandering, die ook heeft geleidt tot een zogenaamde ‘symmetry breaking’. Hierbij zijn de fundamentele natuurkrachten (sterke en zwakke kernkracht en elektromagnetisme) als afzonderlijke krachten ontstaan. Volgens de zogenaamde ‘Grand Unified Theory’ hebben deze drie krachten daarvoor als één enkele kracht gefunctioneerd.Nu is een team van wetenschappers, onder leiding van Martin Kunz van de Universiteit van Genéve, begonnen aan een omvangrijke simulatie van de eerste seconde na de oerknal, de tijd waarop kosmische snaren geacht worden te zijn ontstaan. De simulatie wordt uitgevoerd met de Monta Rosa supercomputer in het Nationale Centrum voor Supercomputers in Zwitserland. In de simulatie wordt vooral gekeken naar de het moment van symmetry-breaking, waarbij het energieniveau van het heelal een onvoorstelbare 1016 giga-elektronvolts heeft bedragen – een miljard keer hoger dan de Large Hadron Collider kan genereren. Om kosmische snaren te detecteren, worden de locatie en energiedichtheid van de gesimuleerde kosmische snaren vergeleken met fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling, waarbij gebruikt wordt gemaakt van lineaire vergelijkingen. De onderzoekers hopen zo het bestaan van kosmische snaren te kunnen bevestigen. Hoewel de kosmische achtergrondstraling 380.000 jaar na de oerknal is ontstaan, herbergt het kleine fluctuaties die uit het zeer jonge universum stammen. Als topologische defecten inderdaad bestaan, dan moeten ze aanvullende fluctuaties geproduceerd hebben, die de “vingerafdruk” van de defecten bevatten. Hieruit kunnen dan conclusies getrokken over de aard en oorsprong ervan.
Gesimuleerde achtergrondstraling waarin de effecten van kosmische snaren zijn verwerkt. Door deze simulatie te vergelijken met de ‘echte’ kaart van de kosmische achtergrondstraling die door Planck wordt gemaakt, kan meer informatie verkregen worden over het al dan niet bestaan van deze topologische defecten. Credit: COBE/CTC.
De resultaten van de simulatie moeten in 2014 beschikbaar zijn, zodat ze vergeleken kunnen worden met de nieuwste gegevens van de Planck-satelliet. Als de theorie waarbij inflatie, kosmische snaren en Grand Unified Theorie aan elkaar gekoppeld zijn, inderdaad correct is, dan zou dit bewezen moeten worden aan de hand van de Planck-gegevens. Als dit bewijs niet wordt gevonden, dan moeten de natuurkundigen terug naar de tekentafel (of is het rekentafel?) om een nieuw model te ontwikkelen – een model dat op een andere manier kosmische snaren bevat, of een model dat het zonder topologische defecten moet doen. In dat geval kunnen de kosmische snaren voor altijd begraven worden. Bron: Phys.org.
