Braneworld utmanar Einsteins allmänna relativitet. Klicka för att förstora
Forskare har varit intresserade i åratal om möjligheten att det finns ytterligare dimensioner utöver de tre vi människor kan förstå. Nu tror forskare från Duke och Rutgers universitet att det finns ett sätt att testa för fem-dimensionell teori (4 rumsliga dimensioner plus tid) av tyngdkraften som tävlar med Einsteins allmänna relativitetsteori. Denna extra dimension bör ha effekter i kosmos som kan upptäckas av satelliter som planeras lanseras under de närmaste åren.
Forskare vid Duke och Rutgers universitet har utvecklat en matematisk ram som de säger kommer att göra det möjligt för astronomer att testa en ny femdimensionell teori om tyngdkraft som konkurrerar med Einsteins allmänna relativitetsteori.
Charles R. Keeton från Rutgers och Arlie O. Petters of Duke baserar sitt arbete på en ny teori som kallas typ II Randall-Sundrum braneworld gravitation model. Teorin hävdar att det synliga universum är ett membran (därmed ”braneworld”) inbäddat i ett större universum, ungefär som en strand av filmig tång som flyter i havet. "Braneworld universum" har fem dimensioner - fyra rumsliga dimensioner plus tid - jämfört med de fyra dimensionerna - tre rumsliga, plus tid - som anges i den allmänna relativitetsteorin.
Ramverket Keeton och Petters utvecklade förutsäger vissa kosmologiska effekter som, om de observeras, bör hjälpa forskare att validera braneworldteorin. Observationerna, sade de, borde vara möjliga med satelliter planerade att sjösättas under de närmaste åren.
Om braneworldteorin visar sig vara sant, "detta skulle uppröra applecart," sade Petters. "Det skulle bekräfta att det finns en fjärde dimension till rymden, vilket skulle skapa en filosofisk förändring i vår förståelse av den naturliga världen."
Forskarnas fynd dök upp 24 maj 2006 i onlineutgåvan av tidskriften Physical Review D. Keeton är professor i astronomi och fysik vid Rutgers och Petters är en matematik- och fysikprofessor på Duke. Deras forskning finansieras av National Science Foundation.
Randall-Sundrum braneworld-modell - uppkallad efter dess ursprung, fysiker Lisa Randall från Harvard University och Raman Sundrum från Johns Hopkins University - ger en matematisk beskrivning av hur tyngdkraften formar universum som skiljer sig från beskrivningen som erbjuds av General Reloryity Theory.
Keeton och Petters fokuserade på en speciell gravitationsföljd av braneworldteorin som skiljer den från Einsteins teori.
Braneworld-teorin förutspår att relativt små "svarta hål" skapade i det tidiga universum har överlevt till nutid. De svarta hålen, med massa som liknar en liten asteroid, skulle vara en del av den ”mörka materien” i universum. Som namnet antyder avger eller reflekterar inte mörk materia ljus, utan utövar en gravitationskraft.
Den allmänna relativitetsteorin förutspår å andra sidan att sådana ursprungliga svarta hål inte längre existerar, eftersom de nu skulle ha förångats.
"När vi uppskattade hur långt braneworld svarta hål kan vara från Jorden, blev vi förvånade över att de närmaste skulle ligga långt inne i Plutos bana," sa Keeton.
Petters lade till, "Om svarta hål i braneworld bildar till och med 1 procent av den mörka materien i vår del av galaxen - ett försiktigt antagande - borde det finnas flera tusen braneworld svarta hål i vårt solsystem."
Men existerar verkligen svarta hål i braneworld - och står därför som bevis för 5-D braneworld-teorin?
Forskarna visade att det borde vara möjligt att besvara denna fråga genom att observera effekterna som svarta hål i braneworld skulle ha på elektromagnetisk strålning som reser till jorden från andra galaxer. All sådan strålning som passerar nära ett svart hål kommer att påverkas av objektets enorma gravitationskrafter - en effekt som kallas "gravitationslinsning."
"Ett bra ställe att leta efter gravitationslinsering av svarta hål i braneworld är i skurar av gammastrålar som kommer till jorden," sa Keeton. Dessa gamma-ray bursts tros produceras av enorma explosioner i hela universum. Sådana skurar från yttre rymden upptäcktes oavsiktligt av den amerikanska flygvapnet på 1960-talet.
Keeton och Petters beräknade att svarta hål i braneworld skulle hindra gammastrålarna på samma sätt som en sten i ett damm hindrar förbipasserande krusningar. Stenen producerar ett ”interferensmönster” i dess kölvattn där vissa krusningstoppar är högre, vissa rännor är djupare och vissa toppar och truvor avbryter varandra. Interferensmönstret har signaturen för egenskaperna hos både berget och vattnet.
På liknande sätt skulle ett braneworld svart hål producera ett interferensmönster i en förbipasserande burst av gammastrålar när de reser till jorden, sade Keeton och Petters. Forskarna förutspådde de resulterande ljusa och mörka "fransarna" i interferensmönstret, som de sade ger ett sätt att dra slutsatser om braneworld svarta hål och i sin tur rum och tid.
"Vi upptäckte att signaturen till en fjärde dimension av rymden visas i interferensmönstren," sade Petters. "Denna extra rumsliga dimension skapar en sammandragning mellan fransarna jämfört med vad du skulle få i General Relativity."
Petters och Keeton sade att det borde vara möjligt att mäta de förutsagda gammastråelpantsmönstren med hjälp av Gamma-ray Large Area Space Telescope, som planeras lanseras på ett rymdskepp i augusti 2007. Teleskopet är en gemensam insats mellan NASA, USA: s energidepartement och institutioner i Frankrike, Tyskland, Japan, Italien och Sverige.
Forskarna sa att deras förutsägelse skulle gälla alla svarta hål i braneworld, vare sig det är i vårt solsystem eller utöver det.
"Om braneworld-teorin är korrekt," sade de, "det borde finnas många, många fler braneworld svarta hål i hela universumet, var och en som har signaturen till en fjärde dimension av rymden."
Ursprungskälla: Duke University
