Methode zum Testen der vorgeschlagenen Stringtheorie

Woraus besteht das Universum? Während die allgemeine Relativitätstheorie gute Arbeit leistet und Einblicke in den Urknall und die Entwicklung von Sternen, Galaxien und Schwarzen Löchern bietet, hilft die Theorie nicht viel, wenn es um kleine Dinge geht. Einige Quantenphysiker schlagen die Stringtheorie als eine Theorie von „allem“ vor, die im elementaren Herzen aller Materie winzige eindimensionale Filamente liegen, die als Strings bezeichnet werden. Leider sollten Strings nach der Theorie etwa ein Millionstel eines Milliardstels eines Milliardstels eines Milliardstel Zentimeters lang sein. Strings sind viel zu klein, um mit der aktuellen Technologie der Teilchenphysik gesehen zu werden. Daher müssen Stringtheoretiker klügere Methoden entwickeln, um die Theorie zu testen, als nur nach den Strings zu suchen.

Nun, ein Kosmologe hat eine Idee. Und das ist eine wirklich große Idee.

Benjamin Wandelt, Professor für Physik und Astronomie an der Universität von Illinois, sagt, dass uraltes Licht aus den Anfängen unseres Universums von neutralen Wasserstoffatomen absorbiert wurde. Durch die Untersuchung dieser Atome konnten bestimmte Vorhersagen der Stringtheorie getestet werden. Für die Messungen müsste jedoch eine riesige Anzahl von Radioteleskopen auf der Erde, im Weltraum oder auf dem Mond gebaut werden. Und es wäre wirklich gigantisch: Wandelt schlägt eine Reihe von Radioteleskopen mit einer Gesamtfläche von mehr als 1.000 Quadratkilometern vor. Ein solches Array könnte mit der aktuellen Technologie gebaut werden, sagte Wandelt, wäre aber unerschwinglich teuer.

Daher sind sowohl die Stringtheorie als auch diese Testmethode vorerst rein hypothetisch.

Laut Wandelt würde dieses riesige Array nach Absorptionsmerkmalen im 21-Zentimeter-Spektrum neutraler Wasserstoffatome suchen.

"Beobachtungen mit hoher Rotverschiebung und 21 Zentimetern bieten ein seltenes Beobachtungsfenster, in dem die Stringtheorie getestet, ihre Parameter eingeschränkt und gezeigt werden kann, ob es sinnvoll ist, eine Art von Inflation – Brane Inflation genannt – in die Stringtheorie einzubetten", sagte Wandelt . „Wenn wir die Brane-Inflation in die Stringtheorie einbetten, wird vorausgesagt, dass sich ein Netzwerk kosmischer Strings bildet. Wir können diese Vorhersage testen, indem wir nach dem Einfluss dieses kosmischen String-Netzwerks auf die Dichte von neutralem Wasserstoff im Universum suchen. “

Ungefähr 400.000 Jahre nach dem Urknall bestand das Universum aus einer dicken Hülle neutraler Wasserstoffatome (die jeweils aus einem einzelnen Proton bestehen, das von einem einzelnen Elektron umkreist wird), die durch den sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund beleuchtet wurden.

Da neutrale Wasserstoffatome elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern leicht absorbieren, trägt der kosmische Mikrowellenhintergrund eine Signatur von Dichtestörungen in der Wasserstoffhülle, die heute beobachtbar sein sollten, sagte Wandelt.

Kosmische Saiten sind Filamente von unendlicher Länge. Wandelt verglich ihre Zusammensetzung mit den Grenzen von Eiskristallen in gefrorenem Wasser.

Wenn das Wasser in einer Schüssel zu gefrieren beginnt, wachsen Eiskristalle an verschiedenen Stellen in der Schüssel mit zufälligen Ausrichtungen. Wenn sich die Eiskristalle treffen, werden sie normalerweise nicht zueinander ausgerichtet. Die Grenze zwischen zwei solchen falsch ausgerichteten Kristallen wird als Diskontinuität oder Defekt bezeichnet.

Kosmische Saiten sind Raumdefekte. Die Stringtheorie sagt voraus, dass im frühen Universum ein Netzwerk von Strings erzeugt wurde, dies wurde jedoch bisher nicht entdeckt. Kosmische Strings erzeugen Schwankungen in der Gasdichte, durch die sie sich bewegen. Eine Signatur, von der Wandelt sagt, wird auf die 21-Zentimeter-Strahlung eingeprägt.

Wie der kosmische Mikrowellenhintergrund wurde die kosmologische 21-Zentimeter-Strahlung gedehnt, während sich das Universum ausdehnte. Heute hat diese Reliktstrahlung eine Wellenlänge von näher an 21 Metern und liegt damit im langwelligen Funkbereich des elektromagnetischen Spektrums.

Wenn solch ein riesiges Array schließlich konstruiert würde, könnten Messungen von Störungen in der Dichte neutraler Wasserstoffatome auch den Wert der Saitenspannung aufdecken, ein grundlegender Parameter in der Stringtheorie, sagte Wandelt. "Und das würde uns über die Energieskala erzählen, auf der die Quantengravitation an Bedeutung gewinnt."

Es bleiben jedoch Fragen zur Gültigkeit dieses Experiments. Könnte das Array auch irgendwie "geschrumpft" werden, um nur einen kleinen Bereich der 21-Zentimeter-Strahlung zu durchsuchen? Oder könnte ein Instrument ähnlich der WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) konstruiert werden, um den gesamten Himmel auf diese Strahlung zu untersuchen?

Wandelt und der Doktorand Rishi Khatri beschreiben ihren vorgeschlagenen Test in einem Artikel, der zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters angenommen wurde. Der Artikel steht noch nicht zur öffentlichen Überprüfung zur Verfügung.

Ursprüngliche Nachrichtenquelle: Pressemitteilung der Universität von Illinois

Rate article
Schreibe einen Kommentar