Riktning är något vi människor är ganska vana vid. Vi lever i vår vänliga landsmiljö och är vana att se saker i termen upp och ner, vänster och höger, framåt eller bakåt. Och för oss är vår referensram fast och förändras inte, såvida vi inte flyttar eller håller på att flytta. Men när det gäller kosmologi blir saker lite mer komplicerade.
Under en lång tid har kosmologer haft tron på att universum är homogent och isotropiskt - dvs i grund och botten samma i alla riktningar. I denna mening finns det inget sådant som ”upp” eller ”ner” när det gäller rymden, endast referenspunkter som är helt relativa. Och tack vare en ny studie av forskare från University College London har denna uppfattning visat sig vara korrekt.
För deras studie, med titeln "Hur isotropiskt är universum?", Använde forskargruppen undersökningsdata för Cosmic Microwave Background (CMB) - den termiska strålningen som lämnades kvar från Big Bang. Denna information erhölls av ESA: s Planck-rymdskepp mellan 2009 och 2013.
Teamet analyserade sedan det med en superdator för att bestämma om det fanns några polarisationsmönster som skulle indikera om rymden har en "föredragen riktning" för expansion. Syftet med detta test var att se om ett av de grundläggande antagandena som ligger till grund för den mest accepterade kosmologiska modellen i själva verket är korrekt.
Den första av dessa antaganden är att universum skapades av Big Bang, som bygger på upptäckten att universum är i ett expansionsläge och upptäckten av den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden. Det andra antagandet är att rymden är homogen och istropisk, vilket innebär att det inte finns några stora skillnader i materiens fördelning över stora skalor.
Denna tro, som också kallas det kosmologiska principen, baseras delvis på det kopernikanska principen (som säger att jorden inte har någon speciell plats i universum) och Einsteins relativitetsteori - som visade att mätningen av tröghet i något system är relativt till observatören.
Denna teori har alltid haft sina begränsningar, eftersom materien uppenbarligen inte är jämnt fördelad på mindre skalor (dvs stjärnsystem, galaxer, galaxkluster etc.). Kosmologer har emellertid argumenterat kring detta genom att säga att fluktuationer i liten skala beror på kvantfluktuationer som inträffade i det tidiga universum och att den storskaliga strukturen är en av homogenitet.
Genom att leta efter fluktuationer i det äldsta ljuset i universum har forskare försökt bestämma om detta verkligen är korrekt. Under de senaste trettio åren har denna typ av mätningar utförts av flera uppdrag, såsom uppdraget Cosmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Mikrovåg Anisotropy Probe (WMAP) och rymdskeppet Planck.
UCL: s forskargrupp - ledd av Daniela Saadeh och Stephen Feeney - tittade på saker lite annorlunda. Istället för att söka efter obalanser i mikrovågsbakgrunden såg de efter tecken på att rymden kunde ha en föredragen riktning för expansion och hur dessa kan prägla sig själva på CMB.
Som Daniela Saadeh - en doktorand vid UCL och huvudförfattaren på tidningen - berättade för Space Magazine via e-post:
”Vi analyserade temperaturen och polariseringen av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), en relikstrålning från Big Bang, med hjälp av data från Planck-uppdraget. Vi jämförde den verkliga CMB mot våra förutsägelser för hur det skulle se ut i ett anisotropiskt universum. Efter denna sökning drog vi slutsatsen att det inte finns några bevis för dessa mönster och att antagandet att universum är isotrop i stora skalor är ett bra. ”
I grund och botten visade deras resultat att det bara finns en 1 till 121 000 chans att universum är anisotropiskt. Med andra ord tyder bevisen på att universum har expanderat i alla riktningar på ett enhetligt sätt och därmed tagit bort alla tvivel om att de är någon riktig känsla av riktning i stor skala.
Och på ett sätt är detta lite nedslående, eftersom ett universum som inte är homogent och samma i alla riktningar skulle leda till en uppsättning lösningar på Einsteins fältekvationer. I sig själva innebär dessa ekvationer inga symmetrier på rymdtiden, men standardmodellen (som de ingår i) accepterar homogenitet som ett slags givet.
Dessa lösningar är kända som Bianchi-modellerna, som föreslogs av den italienska matematikern Luigi Bianchi i slutet av 1800-talet. Dessa algebraiska teorier, som kan tillämpas på tredimensionell rymdtid, erhålls genom att vara mindre restriktiva och därmed möjliggöra ett universum som är anisotropiskt.
Å andra sidan har studien utförd av Saadeh, Feeney och deras kollegor visat att en av de huvudsakliga antagandena som våra nuvarande kosmologiska modeller vilar på är verkligen korrekt. På så sätt har de också gett en välbehövlig känsla av närmare en långsiktig debatt.
"Under de senaste tio åren har det varit betydande diskussioner om det fanns tecken på storskalig anisotropi som lurade i CMB," sa Saadeh. ”Om universum var anisotropiskt skulle vi behöva revidera många av våra beräkningar om dess historia och innehåll. Planck-data av hög kvalitet fick en gyllene möjlighet att utföra denna hälsokontroll av kosmologins standardmodell och de goda nyheterna är att det är säkert. ”
Så nästa gång du befinner dig tittar upp på natthimlen, kom ihåg ... det är en lyx du bara har när du står på jorden. Där ute är det ett helt 'nother ballgame! Så njut av den här saken vi kallar "riktning" när och var du kan.
Och se till att kolla in den här animeringen som produceras av UCL-teamet, som illustrerar Planck-uppdragets CMB-data:
