Sammenstøtende kosmiske tall utfordre vår beste teori om universet | Quanta Magazine

På begynnelsen av 2000-tallet så det ut til at kosmologer hadde løst det største og mest komplekse puslespillet av alle: hvordan universet fungerer.

"Det var dette fantastiske øyeblikket da alle brikkene i kosmologi plutselig knakk sammen," sa J. Colin Hill, en teoretisk kosmolog ved Columbia University.

Alle måtene å studere universet på - kartlegging av galakser og deres større strukturer, fange katastrofale stjerneeksplosjoner kalt supernovaer, beregne avstander til variable stjerner, måle den gjenværende kosmiske gløden fra det tidlige universet - fortalte historier som "så ut til å overlappe," sa Hill.

Limet som holdt historiene sammen hadde blitt oppdaget noen år tidligere, i 1998: mørk energi, en mystisk kraft som, i stedet for å lime kosmos sammen, på en eller annen måte får den til å utvide seg stadig raskere i stedet for å bremse over tid. Når forskere inkluderte dette kosmiske noe i deres modeller av universet, smeltet teorier og observasjoner sammen. De utarbeidet det som nå er kjent som standardmodellen for kosmologi, kalt Lambda-CDM, der mørk energi utgjør nesten 70% av universet, mens en annen mystisk mørk enhet - en type usynlig masse som bare ser ut til å samhandle med normal materie gjennom tyngdekraften - utgjør omtrent 25%. De resterende 5 % er alt vi kan se: stjernene, planetene og galaksene som astronomer har studert i årtusener.

Men det øyeblikket med ro var bare et kort pusterom mellom kampene. Etter hvert som astronomer gjorde mer presise observasjoner av universet på tvers av den kosmiske tiden, begynte det å komme sprekker i standardmodellen. Noen av de første tegnene på problemer kom fra målinger av variable stjerner og supernovaer i en håndfull nærliggende galakser - observasjoner som sammenlignet med den gjenværende kosmiske gløden antydet at universet vårt spiller etter andre regler enn vi trodde, og at en avgjørende kosmologisk parameter som definerer hvor raskt universet flyr fra hverandre endres når du måle den med forskjellige målestokker.

Kosmologer hadde et problem - noe de kalte en spenning, eller, i sine mer dramatiske øyeblikk, en krise.

Disse uenige målingene har bare blitt mer tydelige i løpet av tiåret eller så siden de første sprekkene dukket opp. Og denne uoverensstemmelsen er ikke den eneste utfordringen til kosmologiens standardmodell. Observasjoner av galakser tyder på at måten som kosmiske strukturer har klumpet seg sammen over tid kan avvike fra vår beste forståelse av hvordan dagens univers burde ha vokst fra frø innebygd i det tidlige kosmos. Og enda mer subtile misforhold kommer fra detaljerte studier av universets tidligste lys.

Andre inkonsekvenser florerer. "Det er mange flere mindre problemer andre steder," sa Eleonora Di Valentino, en teoretisk kosmolog ved University of Sheffield. "Det er derfor det er forvirrende. For det er ikke bare disse store problemene.»

For å lindre disse spenningene tar kosmologer to komplementære tilnærminger. For det første fortsetter de å gjøre mer presise observasjoner av kosmos, i håp om at bedre data vil avsløre ledetråder om hvordan de skal fortsette. I tillegg finner de måter å finjustere standardmodellen for å imøtekomme de uventede resultatene. Men disse løsningene er ofte konstruerte, og hvis de løser ett problem, gjør de ofte andre verre.

"Situasjonen akkurat nå virker som et stort rot," sa Hill. "Jeg vet ikke hva jeg skal gjøre med det."

Forvrengt lys

For å karakterisere universet vårt bruker forskerne en håndfull tall, som kosmologer kaller parametere. De fysiske enhetene som disse verdiene refererer til er alle gir i en gigantisk kosmisk maskin, med hver bit koblet til de andre.

En av disse parameterne er knyttet til hvor sterkt massen klumper seg sammen. Det forteller oss igjen noe om hvordan mørk energi fungerer, ettersom dens akselererende utadgående push er i konflikt med tyngdekraften til kosmisk masse. For å kvantifisere klumpete bruker forskerne en variabel kalt S₈. Hvis verdien er null, har universet ingen variasjon og ingen struktur, forklart Sunao Sugiyama, en observasjonskosmolog ved University of Pennsylvania. Det er som en flat, uten karakteristisk prærie, med ikke engang en maurtue som bryter opp landskapet. Men hvis S₈ er nærmere 1, er universet som en enorm, taggete fjellkjede, med massive klumper av tett materie adskilt av intethetsdaler. Observasjoner gjort av Planck-romfartøyet av det veldig tidlige universet - der de første frøene til struktur tok tak - finner en verdi på 0.83.

Men observasjoner av nyere kosmisk historie stemmer ikke helt overens.

For å sammenligne klumpete i dagens univers med målinger av spedbarnets kosmos, undersøker forskere hvordan materie er fordelt over store himmelstrøk.

Å gjøre rede for synlige galakser er én ting. Men å kartlegge det usynlige nettverket som disse galaksene ligger på er en annen. For å gjøre det ser kosmologer på ørsmå forvrengninger i galaksenes lys, fordi banen lyset tar mens det vever seg gjennom kosmos blir forvrengt når lyset avledes av gravitasjonskraften til usynlig materie.

Ved å studere disse forvrengningene (kjent som svak gravitasjonslinse), kan forskere spore fordelingen av mørk materie langs banene lyset tok. De kan også anslå hvor galaksene er. Med begge informasjonsbitene i hånden lager astronomer 3D-kart over universets synlige og usynlige masse, som lar dem måle hvordan landskapet med kosmisk struktur endres og vokser over tid.

I løpet av de siste årene har tre undersøkelser med svake linser kartlagt store flekker av himmelen: Dark Energy Survey (DES), som bruker et teleskop i Chiles Atacama-ørken; Kilo-Degree Survey (KIDS), også i Chile; og sist, en femårig undersøkelse fra Subaru Telescope's Hyper Suprime-Cam (HSC) i Hawaii.

For noen år siden produserte DES- og KIDS-undersøkelsene S₈ verdier som er lavere enn Plancks - som antyder mindre fjellkjeder og lavere topper enn hva den opprinnelige kosmiske suppen satte opp. Men det var bare fristende hint av feil i vår forståelse av hvordan kosmiske strukturer vokser og konglomererer. Kosmologer trengte mer data og ventet spent på Subaru HSC-resultatene, som ble publisert i en serie på fem artikler i desember.

Subaru HSC-teamet undersøkte titalls millioner galakser som dekker rundt 416 kvadratgrader på himmelen, eller tilsvarende 2,000 fullmåner. På sin flekk av himmelen beregnet teamet en S₈ verdi på 0.78 - i tråd med de første resultatene fra tidligere undersøkelser, og mindre enn den målte verdien fra Planck-teleskopets observasjoner av det tidlige universets stråling. Subaru-teamet er nøye med å si at målingene deres bare "antyder" en spenning fordi de ikke helt har nådd nivået av statistisk signifikans som forskerne stoler på, selv om de jobber med å legge til ytterligere tre år med observasjoner til dataene deres.

"Hvis dette S₈ spenning er virkelig sant, det er noe vi ikke forstår ennå, sa Sugiyama, som ledet en av Subaru HSC-analysene.

Kosmologer gransker nå detaljene i observasjonene for å finne ut kilder til usikkerhet. For det første estimerte Subaru-teamet avstandene til de fleste av galaksene deres basert på deres generelle farge, noe som kan føre til unøyaktigheter. "Hvis du tok feil avstandsestimater, ville du også få feil på noen av dine kosmologiske parametere du bryr deg om," sa teammedlem Rachel Mandelbaum ved Carnegie Mellon University.

På toppen av det er disse målingene ikke enkle å gjøre, med subtile kompleksiteter i tolkningen. Og forskjellen mellom galaksens skjeve utseende og dens faktiske form - nøkkelen til å identifisere usynlig masse - er ofte veldig liten, sa Diana Scognamiglio fra NASAs Jet Propulsion Laboratory. I tillegg kan uskarphet fra jordens atmosfære endre formen til en galakse litt, noe som er en av grunnene til at Scognamiglio leder en analyse med svak linse ved hjelp av NASAs James Webb-romteleskop.

Forskere med DES- og KIDS-teamene legger til mer forvirring analyserte nylig målingene sine på nytt sammen og avledet en S₈ verdi nærmere Planck-resultatene.

Så foreløpig er bildet rotete. Og noen kosmologer er ennå ikke overbevist om at de forskjellige S₈ målingene er i spenning. "Jeg tror ikke det er et åpenbart hint om en stor katastrofal fiasko der," sa Hill. Men, la han til, "det er ikke usannsynlig at det kan være noe interessant på gang."

Hvor sprekker er tydelige

For et dusin år siden så forskerne de første antydningene til problemer med målinger av en annen kosmologisk parameter. Men det tok år å samle nok data til å overbevise de fleste kosmologer om at de hadde å gjøre med en fullstendig krise.

Kort sagt, målinger av hvor raskt universet utvider seg i dag – kjent som Hubble-konstanten – samsvarer ikke med verdien du får når du ekstrapolerer fra det tidlige universet. Gåten har blitt kjent som Hubble-spenningen.

For å beregne Hubble-konstanten må astronomer vite hvor langt unna ting er. I det nærliggende kosmos måler forskere avstander ved å bruke stjerner kalt Cepheid-variabler som med jevne mellomrom endrer seg i lysstyrke. Det er et velkjent forhold mellom hvor raskt en av disse stjernene svinger fra den lyseste til den svakeste og hvor mye energi den utstråler. Denne sammenhengen, som ble oppdaget tidlig på 20-tallet, lar astronomer beregne stjernens iboende lysstyrke, og ved å sammenligne det med hvor lys den ser ut, kan de beregne avstanden.

Ved å bruke disse variable stjernene kan forskerne måle avstandene til galakser opp til rundt 100 millioner lysår fra oss. Men for å se litt lenger unna, og litt lenger tilbake i tid, bruker de en lysere milemarkør – en spesifikk type stjerneeksplosjon kalt en type Ia-supernova. Astronomer kan også beregne den iboende lysstyrken til disse "standard stearinlysene", som lar dem måle avstander til galakser milliarder av lysår unna.

I løpet av de siste to tiårene har disse observasjonene hjulpet astronomer med å finne en verdi på hvor raskt universet i nærheten utvider seg: omtrent 73 kilometer per sekund per megaparsek, som betyr at når du ser lenger bort, for hver megaparsek (eller 3.26 millioner lysår) ) av avstand flyr verdensrommet bort 73 kilometer per sekund raskere.

Men den verdien kolliderer med en avledet fra en annen hersker innebygd i spedbarnsuniverset.

Helt i begynnelsen var universet brennende plasma, en suppe av fundamentale partikler og energi. "Det var et varmt rot," sa Vivian Poulin-Détolle, en kosmolog ved universitetet i Montpellier.

En brøkdel av et sekund inn i den kosmiske historien, en hendelse, kanskje en periode med ekstrem akselerasjon kjent som inflasjon, sendte støt - trykkbølger - gjennom det grumsete plasmaet.

Så, mens universet avkjølte, brøt lys som var fanget i den elementære plasmatåken til slutt løs. Det lyset - den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, eller CMB - avslører de tidlige trykkbølgene, akkurat som overflaten av en frossen innsjø holder på de overlappende bølgetoppene frosset i tid, sa Poulin-Détolle.

Kosmologer har målt den vanligste bølgelengden til de frosne trykkbølgene og brukt den til å beregne en verdi for Hubble-konstanten på 67.6 km/s/mpc, med en usikkerhet på mindre enn 1 %.

De særegne uenige verdiene - omtrent 67 mot 73 - har antent en brennende debatt i kosmologien som fortsatt er uløst.

Astronomer henvender seg til uavhengige kosmiske milemarkører. De siste seks årene, Wendy Freeman ved University of Chicago (som har jobbet med Hubble-konstanten i et kvart århundre) har fokusert på en type gammel, rød stjerne som vanligvis lever i de ytre delene av galakser. Der ute kan færre overlappende klare stjerner og mindre støv føre til klarere målinger. Ved å bruke disse stjernene har Freedman og hennes kolleger målt en ekspansjonshastighet på rundt 70 km/s/Mpc - "som faktisk stemmer ganske bra med Cepheidene," sa hun. "Men det stemmer også ganske bra med mikrobølgebakgrunnen."

Hun har nå vendt seg til JWSTs kraftige infrarøde øye for å nærme seg problemet. Sammen med kollegene sine måler hun avstander til disse gigantiske røde stjernene i 11 nærliggende galakser, mens hun samtidig måler avstandene til Cepheider og en type pulserende karbonstjerne i de samme galaksene. De forventer å publisere resultatene en gang denne våren, men allerede, sa hun, "dataene ser virkelig spektakulære ut."

"Jeg er veldig interessert i å se hva de finner," sa Hill, som jobber med å forstå modeller av universet. Vil disse nye observasjonene utvide sprekkene i kosmologiens favorittmodell?

En ny modell?

Ettersom observasjoner fortsetter å begrense disse avgjørende kosmologiske parametrene, prøver forskere å tilpasse dataene til deres beste modeller for hvordan universet fungerer. Kanskje vil mer presise målinger løse problemene deres, eller kanskje er spenningene bare en artefakt av noe hverdagslig, som særegenheter ved instrumentene som brukes.

Eller kanskje modellene er feil, og nye ideer - "ny fysikk" - vil være nødvendig.

"Enten har vi ikke vært smarte nok til å komme opp med en modell som faktisk passer til alt," sa Hill, eller "det kan faktisk være flere deler av ny fysikk på spill."

Hva kan de være? Kanskje et nytt grunnleggende kraftfelt, sa Hill, eller interaksjoner mellom mørk materiepartikler som vi ennå ikke forstår, eller nye ingredienser som ennå ikke er en del av vår beskrivelse av universet.

Noen nye fysikkmodeller justerer mørk energi, og legger til en bølge av kosmisk akselerasjon i de tidlige øyeblikkene av universet, før elektroner og protoner glødet på hverandre. "Hvis ekspansjonshastigheten på en eller annen måte kunne økes, bare litt for en liten stund i det tidlige universet," sa Marc Kamionkowski, en kosmolog ved Johns Hopkins University, "du kan løse Hubble-spenningen."

Kamionkowski og en av hans hovedfagsstudenter foreslo ideen i 2016, og to år senere skisserte noen signaturer at et kosmisk mikrobølgebakgrunnsteleskop med høy oppløsning skal kunne se. Og Atacama Cosmology Telescope, plassert på et fjell i Chile, så noen av disse signalene. Men siden den gang har andre forskere vist at modellen skaper problemer med andre kosmiske målinger.

Den typen finjusterte modell, der en ekstra type mørk energi bølger opp et øyeblikk og deretter toner ut, er for komplisert til å forklare hva som skjer, sa Dragan Huterer, en teoretisk kosmolog ved University of Michigan. Og andre foreslåtte løsninger på Hubble-spenningen har en tendens til å matche observasjoner enda dårligere. De er "håpløst innstilt," sa han, som bare-så historier som er for spesifikke til å være i takt med den langvarige ideen om at enklere teorier har en tendens til å vinne frem mot komplekse.

Data som kommer i løpet av neste år kan hjelpe. Først ut vil være resultatene fra Freedmans team som ser på forskjellige sonder av utvidelseshastigheten i nærheten. Så i april vil forskere avsløre de første dataene fra den største kosmologiske himmelundersøkelsen til dags dato, Dark Energy Spectroscopic Instrument. Senere på året vil Atacama Cosmology Telescope-teamet - og forskere som lager et nytt urbakgrunnskart ved hjelp av South Pole Telescope - sannsynligvis gi ut sine detaljerte resultater av mikrobølgebakgrunnen med høyere oppløsning. Observasjoner på den fjernere horisonten vil komme fra den europeiske romfartsorganisasjonens Euclid, et romteleskop som ble skutt opp i juli, og Vera C. Rubin Observatory, en kartleggingsmaskin for hel himmel som bygges i Chile som vil være fullt operativ i 2025.

Universet kan være 13.8 milliarder år gammelt, men vår søken etter å forstå det - og vår plass i det - er fortsatt i sin spede begynnelse. Alt i kosmologi passet sammen for bare 15 år siden, i en kort periode med ro som viste seg å være en luftspeiling. Sprekkene som dukket opp for et tiår siden har delt seg på vidt gap, og skapt større rifter i kosmologiens favorittmodell.

"Nå," sa Di Valentino, "alt har endret seg."

Redaktørens notat: Flere forskere nevnt i denne artikkelen har mottatt finansiering fra Simons Foundation, som også finansierer dette redaksjonelt uavhengige magasinet. Simons Foundation-finansieringsbeslutninger har ingen innflytelse på dekningen vår. Flere detaljer er tilgjengelig her.