Konforme zyklische Kosmologie

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Die konforme zyklische Kosmologie (CCC, von eng. conformal cyclic cosmology) ist ein kosmologisches Modell im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie, das von dem theoretischen Physiker Sir Roger Penrose vorgeschlagen wurde.[1][2][3]

In der CCC durchläuft das Universum eine unendliche Zahl von Zyklen, wobei die zukünftige zeitliche Unendlichkeit (d. h. das späteste Ende jeder möglichen Zeitskala, die für einen beliebigen Punkt im Raum ausgewertet wird) jedes vorherigen Zyklus mit der Urknallsingularität des nächsten identifiziert wird.[4] Penrose machte diese Theorie in seinem 2010 erschienenen Buch Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe (deutsch: Zyklen der Zeit: Eine neue, ungewöhnliche Sicht des Universums) populär.

Grundkonstruktion

Penroses Grundkonstruktion[2] besteht darin, eine abzählbare Folge offener Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metriken (FLRW) miteinander zu verbinden, die jeweils einen Urknall mit anschließender unendlicher Expansion in der Zukunft repräsentieren. Penrose bemerkte, dass die vergangene konforme Grenze einer Kopie der FLRW-Raumzeit an die zukünftige konforme Grenze einer anderen "angehängt" werden kann, nachdem eine geeignete konforme Umskalierung vorgenommen wurde. Insbesondere wird jede einzelne FLRW-Metrik mit dem Quadrat eines Konformitätsfaktors multipliziert, der bei zeitlicher Unendlichkeit gegen Null geht, wodurch die zukünftige konforme Grenze auf eine konforme regelmäßige Hyperfläche "zusammengedrückt" wird (die raumähnlich ist, wenn es eine positive kosmologische Konstante gibt, wie derzeit angenommen wird). Das Ergebnis ist eine neue Lösung der Einsteinschen Gleichungen, die nach Penrose das gesamte Universum repräsentiert und aus einer Abfolge von Sektoren besteht, die Penrose "Äonen" nennt.[5]

Die Hypothese der konformen zyklischen Kosmologie besagt, dass alle massiven Teilchen schließlich verschwinden, auch diejenigen, die zu weit von allen anderen Teilchen entfernt sind, um mit ihnen zu annihilieren. Wie Penrose betont, ist der Protonenzerfall eine Möglichkeit, die in verschiedenen spekulativen Erweiterungen des Standardmodells in Betracht gezogen wird, aber nie beobachtet wurde. Außerdem müssen alle Elektronen ebenfalls zerfallen oder ihre Ladung und/oder Masse verlieren, was in keiner der herkömmlichen Spekulationen berücksichtigt wird[2].

In seinem Video zur Nobelpreisvorlesung hat Roger Penrose seine frühere Forderung, dass es keine Masse geben dürfe, ab 26:30 Uhr abgeschwächt, indem er zuließ, dass Teilchen mit einer gewissen Masse vorhanden sein können, solange die Mengen unbedeutend sind und fast ihre gesamte Energie kinetisch ist, und das in einer konformen Geometrie, die von Photonen dominiert wird.[6]

Physikalische Implikationen

Das für die Teilchenphysik bedeutsame Merkmal dieser Konstruktion ist, dass sich Bosonen, da sie den Gesetzen der konform invarianten Quantentheorie gehorchen, in den umskalierten Äonen genauso verhalten wie in ihren früheren FLRW-Gegenstücken (klassischerweise entspricht dies den Lichtkegelstrukturen, die bei konformer Umskalierung erhalten bleiben). Für solche Teilchen ist die Grenze zwischen Äonen überhaupt keine Grenze, sondern nur eine raumähnliche Fläche, die wie jede andere überquert werden kann. Fermionen hingegen bleiben auf ein bestimmtes Äon beschränkt und bieten damit eine bequeme Lösung für das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs; nach Penrose müssen Fermionen bei der Verdampfung des Schwarzen Lochs irreversibel in Strahlung umgewandelt werden, um die Glätte der Grenze zwischen den Äonen zu erhalten.

Die Krümmungseigenschaften von Penroses Kosmologie sind auch für andere Aspekte der Kosmologie von Vorteil. Erstens erfüllt die Grenze zwischen den Äonen die Weyl-Krümmungshypothese und bietet somit eine bestimmte Art von Vergangenheit mit geringer Entropie, wie sie von der Vergangenheitshypothese, der statistischen Mechanik und der Beobachtung gefordert wird. Zweitens hat Penrose berechnet, dass eine gewisse Menge an Gravitationsstrahlung über die Grenze zwischen den Äonen hinweg erhalten bleiben sollte. Penrose schlägt vor, dass diese zusätzliche Gravitationsstrahlung ausreichen könnte, um die beobachtete kosmische Beschleunigung zu erklären, ohne dass ein dunkles Energiefeld erforderlich ist.

Empirische Tests

2010 veröffentlichten Penrose und Vahe Gurzadyan einen Vorabdruck einer Arbeit, in der sie behaupteten, dass die Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), die von der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) und dem BOOMERanG-Experiment gemacht wurden, einen Überschuss an konzentrischen Kreisen im Vergleich zu Simulationen enthielten, die auf dem Lambda-CDM-Modell der Kosmologie basieren, und gaben eine 6-Sigma-Signifikanz des Ergebnisses an.[5] Die statistische Signifikanz der behaupteten Entdeckung wurde jedoch seitdem bestritten. Drei Gruppen haben unabhängig voneinander versucht, diese Ergebnisse zu reproduzieren, kamen aber zu dem Schluss, dass die Entdeckung der konzentrischen Anomalien statistisch nicht signifikant war, da in den Daten nicht mehr konzentrische Kreise auftauchten als in den Lambda-CDM-Simulationen.[7][8][9][10]

Der Grund für die Unstimmigkeiten lag in der Art und Weise, wie die Simulationen, die zur Bestimmung der Signifikanz verwendet werden, aufgebaut sind: Die drei unabhängigen Versuche, die Analyse zu wiederholen, verwendeten alle Simulationen auf der Grundlage des Lambda-CDM-Standardmodells, während Penrose und Gurzadyan einen nicht dokumentierten Nicht-Standardansatz verwendeten[11].

2013 veröffentlichten Gurzadyan und Penrose die Weiterentwicklung ihrer Arbeit und führten eine neue Methode ein, die sie als "sky-twist procedure" bezeichneten (und die nicht auf Simulationen basiert), bei der WMAP-Daten direkt analysiert werden;[3] 2015 veröffentlichten sie die Ergebnisse der Analyse der Planck-Daten, die die von WMAP bestätigten, einschließlich der inhomogenen Himmelsverteilung dieser Strukturen.[12]

In einem am 6. August 2018 veröffentlichten Artikel präsentierten die Autoren Daniel An, Krzysztof Antoni Meissner, Pawel Nurowski und Penrose eine fortgesetzte Analyse der CMB-Daten, da es ihnen schien, dass "...anomale Punkte einen wichtigen neuen Beitrag zur Kosmologie liefern, unabhängig von der Gültigkeit der CCC." Sie schlugen außerdem vor, dass es sich bei diesen Anomalien um "Hawking-Punkte" handeln könnte, also um Überbleibsel der "Hawking-Verdampfung supermassereicher Schwarzer Löcher in einem Äon vor dem unseren". In der ursprünglichen Version ihres Artikels wurde behauptet, dass sich eine vom BICEP2-Team gefundene B-Mode-Position an einem dieser Hawking-Punkte befand; diese Behauptung wurde in einer späteren Aktualisierung entfernt.[13]

Eine Analyse aus dem Jahr 2020 ergab, dass die angeblich anomalen "Hawking-Punkte" tatsächlich mit dem inflationären Standardbild übereinstimmen, wenn man den "Look-elsewhere effect" berücksichtigt.[14] Im Jahr 2022 veröffentlichte eine andere Gruppe[15] einen Vorabdruck über CMB-Anomalien, die aus einem einzigen oder wenigen hellen Pixeln bestehen und fälschlicherweise zu Regionen mit vielen Kreisen mit niedriger Varianz führen, wenn man die in früheren Arbeiten verwendeten Suchkriterien anwendet. Nachdem die Anomalien aus den Daten entfernt wurden, behaupten die Autoren, dass es keine statistisch signifikanten Kreise mit geringer Varianz gibt. Bezüglich der Hawking-Punkte geben sie ebenfalls an, dass es bei Verwendung eines Gaußschen Temperaturamplitudenmodells über 1 Grad Öffnungswinkel und nach Berücksichtigung der CMB-Anomalien keine statistisch signifikanten Beweise gibt. Die Gruppe kommentiert, dass CMB-Anomalien selbst Überbleibsel von Hawking-Punkten sein könnten, nicht durch Kreise mit niedriger Varianz und/oder hoher Temperatur um sie herum unterstützt wird. Vor allem aber sagen die Autoren, dass das Fehlen solch ausgeprägter Merkmale in der CMB die CCC nicht widerlegt, denn wenn die Dichte solcher Kreise und Hawking-Punkte groß ist, könnte stattdessen ein Interferenz-Fleckenmuster in der CMB entstehen. Sie stellen außerdem fest, dass die statistische Verteilung der Daten nicht gaußförmig ist, was darauf hindeutet, dass die zugrunde liegende Information noch nicht vollständig beschrieben ist.

Literatur

Einzelnachweise

  1. ↑ Jason Palmer: Cosmos may show echoes of events before Big Bang. BBC News 2010-11-27. Retrieved 2010-11-27.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Roger Penrose (2006): Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics (PDF). Proceedings of the EPAC 2006, Edinburgh, Scotland: 2759–2762.
  3. ↑ 3,0 3,1 Gurzadyan, VG; Penrose, R (2013). "On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky". Eur. Phys. J. Plus. 128 (2): 22. arxiv:1302.5162. bibcode:2013EPJP..128...22G. doi:10.1140/epjp/i2013-13022-4. S2CID 55249027.
  4. ↑ Edwin Cartlidge (2010-11-19): Penrose claims to have glimpsed universe before Big Bang. physicsworld.com. Archiviert vom Original am 30. Mai 2013. Abgerufen am 27. November 2010
  5. ↑ 5,0 5,1 Gurzadyan VG; Penrose R (2010-11-16). "Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity". arxiv:1011.3706.
  6. ↑ Roger Penrose: Nobel Lecture: Roger Penrose, Nobel Prize in Physics 2020. YouTube. Nobel Prize Committee. Abgerufen am 1. Dezember 2022.
  7. ↑ A search for concentric circles in the 7-year WMAP temperature sky maps. In: The Astrophysical Journal. 733, Nr. 2, 7. Dezember 2010. arxiv:1012.1268. bibcode:2011ApJ...733L..29W. doi:10.1088/2041-8205/733/2/L29.
  8. ↑ No evidence for anomalously low variance circles on the sky. In: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2011, Nr. 4, 7. Dezember 2010. arxiv:1012.1305. bibcode:2011JCAP...04..033M. doi:10.1088/1475-7516/2011/04/033.
  9. ↑ Are There Echoes From The Pre-Big Bang Universe? A Search for Low Variance Circles in the CMB Sky. In: The Astrophysical Journal. 740, Nr. 2, 8. Dezember 2010. arxiv:1012.1656. bibcode:2011ApJ...740...52H. doi:10.1088/0004-637X/740/2/52.
  10. ↑ A. DeAbreu: Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background. In: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2015, Nr. 12, 2015. arxiv:1508.05158. bibcode:2015JCAP...12..031D. doi:10.1088/1475-7516/2015/12/031.
  11. ↑ Gurzadyan VG; Penrose R (2010-12-07). More on the low variance circles in CMB sky. arxiv:1012.1486
  12. ↑ V.G. Gurzadyan, R. Penrose: CCC and the Fermi paradox. In: Eur. Phys. J. Plus. 131, 2016, S. 11. arxiv:1512.00554. bibcode:2016EPJP..131...11G. doi:10.1140/epjp/i2016-16011-1.
  13. ↑ Gurzadyan, V. G.; Penrose, R. (2018). Apparent evidence for Hawking points in the CMB Sky. arxiv:1808.01740
  14. ↑ Jow, Dylan L.; Scott, Douglas (2020-03-09). Re-evaluating evidence for Hawking points in the CMB. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2020 (3): 021. arxiv:1909.09672. bibcode:2020JCAP...03..021J. doi:10.1088/1475-7516/2020/03/021. ISSN 1475-7516.
  15. ↑ Bodnia, Eve; Isenbaev, Vlad; Colburn, Kellan; Swearngin, Joe; Bouwmeester, Dirk (2022). Conformal Cyclic Cosmology Signatures and Anomalies of the CMB Sky. arxiv:2208.06021.
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