Nasprotna kozmična števila izzivajo našo najboljšo teorijo vesolja | Revija Quanta

V začetku leta 2000 se je zdelo, da so kozmologi rešili največjo in najbolj zapleteno uganko od vseh: kako vesolje deluje.

"Bil je ta neverjeten trenutek, ko so se vsi koščki v kozmologiji nenadoma sestavili skupaj," je dejal J. Colin Hill, teoretični kozmolog na univerzi Columbia.

Vsi načini proučevanja vesolja – kartiranje galaksij in njihovih večjih struktur, lovljenje katastrofalnih zvezdnih eksplozij, imenovanih supernove, izračun razdalj do spremenljivih zvezd, merjenje preostalega kozmičnega sijaja iz zgodnjega vesolja – so pripovedovali zgodbe, za katere se je »zdelo, da se prekrivajo«, je dejal Hill.

Lepilo, ki je držalo zgodbe skupaj, je bilo odkrito nekaj let prej, leta 1998: temna energija, skrivnostna sila, ki namesto da bi zlepila vesolje skupaj, nekako povzroči, da se širi vedno hitreje, namesto da bi se sčasoma upočasnila. Ko so znanstveniki to kozmično nekaj vključili v svoje modele vesolja, so se teorije in opazovanja prepletale. Pripravili so osnutek, ki je zdaj znan kot standardni model kozmologije, imenovan Lambda-CDM, v katerem temna energija predstavlja skoraj 70 % vesolja, medtem ko druga skrivnostna temna entiteta - vrsta nevidne mase, za katero se zdi, da deluje samo z običajno snovjo. zaradi gravitacije - predstavlja približno 25%. Preostalih 5 % je vse, kar lahko vidimo: zvezde, planeti in galaksije, ki jih astronomi preučujejo tisočletja.

Toda ta trenutek miru je bil le kratek predah med časi boja. Ko so astronomi natančneje opazovali vesolje v vesoljskem času, so se v standardnem modelu začele pojavljati razpoke. Nekaj ​​prvih znakov težav je prišlo z meritvami spremenljive zvezde in supernove v peščici bližnjih galaksij – opazovanja, ki so v primerjavi s preostalim kozmičnim sijajem pokazala, da naše vesolje deluje po drugačnih pravilih, kot smo mislili, in da se ključni kozmološki parameter, ki določa, kako hitro vesolje leti narazen, spremeni, ko meriti z različnimi merili.

Kozmologi so imeli težavo - nekaj, čemur so rekli napetost ali, v njihovih bolj dramatičnih trenutkih, a kriza.

Te neskladne meritve so postale bolj izrazite v približno desetletju, odkar so se pojavile prve razpoke. In to neskladje ni edini izziv standardnemu modelu kozmologije. Opazovanja galaksij kažejo, da način, na katerega kozmične strukture so se strnile skupaj sčasoma se lahko razlikuje od našega najboljšega razumevanja tega, kako bi moralo današnje vesolje zrasti iz semen, vgrajenih v zgodnji kozmos. In še bolj subtilna neskladja izhajajo iz podrobnih študij najzgodnejše svetlobe vesolja.

Obstaja veliko drugih nedoslednosti. "Drugje je veliko več manjših težav," je rekel Eleonora Di Valentino, teoretični kozmolog na Univerzi v Sheffieldu. »Zato je to zagonetno. Ker ne gre le za te velike težave.”

Da bi ublažili te napetosti, kozmologi uporabljajo dva komplementarna pristopa. Prvič, nadaljujejo z natančnejšimi opazovanji kozmosa v upanju, da bodo boljši podatki razkrili namige, kako naprej. Poleg tega iščejo načine, kako subtilno prilagoditi standardni model, da bi se prilagodil nepričakovanim rezultatom. Toda te rešitve so pogosto izmišljene in če rešijo en problem, pogosto poslabšajo druge.

"Trenutno se zdi, da je situacija velika zmešnjava," je dejal Hill. "Ne vem, kaj naj o tem."

Izkrivljena svetloba

Za opredelitev našega vesolja znanstveniki uporabljajo nekaj števil, ki jih kozmologi imenujejo parametri. Fizične entitete, na katere se nanašajo te vrednosti, so vsi zobniki v velikanskem vesoljskem stroju, pri čemer je vsak bit povezan z drugimi.

Eden od teh parametrov se nanaša na to, kako močno se masa združuje. To pa nam nekaj pove o tem, kako deluje temna energija, saj je njen pospeševalni pritisk navzven v nasprotju z gravitacijsko privlačnostjo kozmične mase. Za količinsko opredelitev grudavosti znanstveniki uporabljajo spremenljivko, imenovano S₈. Če je vrednost enaka nič, potem vesolje nima variacij in strukture, razloženo Sunao Sugiyama, opazovalni kozmolog na Univerzi v Pensilvaniji. Je kot ravna prerija brez značilnosti, brez niti mravljišča, ki bi razbilo pokrajino. Ampak če S₈ je bližje 1, je vesolje kot ogromno, nazobčano gorovje z ogromnimi gručami goste snovi, ločenimi z dolinami niča. Opazovanja vesoljskega plovila Planck zelo zgodnjega vesolja – kjer so se pojavila prva semena strukture – najdejo vrednost 0.83.

Toda opazovanja nedavne kozmične zgodovine se ne strinjajo povsem.

Da bi primerjali grudastost v današnjem vesolju z meritvami mladega vesolja, raziskovalci raziskujejo, kako je snov porazdeljena po velikih delih neba.

Upoštevanje vidnih galaksij je ena stvar. Toda kartiranje nevidnega omrežja, na katerem ležijo te galaksije, je nekaj drugega. Da bi to naredili, kozmologi opazujejo drobna popačenja v svetlobi galaksij, ker je pot svetlobe, ko se vije skozi kozmos, izkrivljena, ko svetlobo odbije gravitacijska sila nevidne snovi.

S preučevanjem teh popačenj (znanih kot šibka gravitacijska leča) lahko raziskovalci izsledijo porazdelitev temne snovi po poteh, ki jih je prehodila svetloba. Lahko tudi ocenijo, kje so galaksije. Z obema informacijama astronomi ustvarijo 3D zemljevide vidne in nevidne mase vesolja, kar jim omogoča merjenje, kako se pokrajina kozmične strukture spreminja in raste skozi čas.

V zadnjih nekaj letih so tri raziskave s šibkimi lečami preslikale velike zaplate neba: raziskava temne energije (DES), ki uporablja teleskop v čilski puščavi Atacama; Kilo-Degree Survey (KIDS), tudi v Čilu; in nazadnje petletna raziskava Hyper Suprime-Cam (HSC) Subaru Telescope na Havajih.

Pred nekaj leti sta izvedli raziskavi DES in KIDS S₈ vrednosti nižje od Planckovih - kar pomeni manjše gorske verige in nižje vrhove od tistih, ki jih je postavila prvobitna kozmična juha. Toda to so bili le mamljivi namigi o napakah v našem razumevanju, kako kozmične strukture rastejo in se konglomeratirajo. Kozmologi so potrebovali več podatkov in so nestrpno pričakovali rezultate Subaru HSC, ki so bili objavljeni v seriji petih prispevkov v decembru.

Ekipa Subaru HSC je pregledala desetine milijonov galaksij, ki pokrivajo približno 416 kvadratnih stopinj na nebu, kar je enako 2,000 polnim lunam. Na svojem koščku neba je ekipa izračunala an S₈ vrednost 0.78 - v skladu z začetnimi rezultati prejšnjih raziskav in manjša od izmerjene vrednosti iz opazovanj sevanja zgodnjega vesolja s teleskopom Planck. Subarujeva ekipa pozorno pove, da njihove meritve le "nakazujejo" na napetost, ker niso povsem dosegle ravni statistične pomembnosti, na katero se zanašajo znanstveniki, čeprav delajo na tem, da bi svojim podatkom dodali še tri leta opazovanj.

»Če to S₈ napetost je res resnična, obstaja nekaj, česar še ne razumemo,« je dejal Sugiyama, ki je vodil eno od analiz Subaru HSC.

Kozmologi zdaj preučujejo podrobnosti opazovanj, da bi odkrili vire negotovosti. Za začetek je Subarujeva ekipa ocenila razdalje do večine njihovih galaksij na podlagi njihove celotne barve, kar bi lahko povzročilo netočnosti. "Če bi se zmotile [povprečne] ocene razdalje, bi dobili napačne tudi nekatere svoje kozmološke parametre, ki vas zanimajo," je dejal član ekipe Rachel Mandelbaum Univerze Carnegie Mellon.

Poleg tega teh meritev ni lahko narediti, saj je interpretacija precej zapletena. In razlika med izkrivljenim videzom galaksije in njeno dejansko obliko – ključem za prepoznavanje nevidne mase – je pogosto zelo majhna, pravi Diana Scognamiglio Nasinega Laboratorija za reaktivni pogon. Poleg tega lahko zamegljenost iz Zemljine atmosfere rahlo spremeni obliko galaksije, kar je eden od razlogov, zakaj Scognamiglio vodi analizo šibkih leč z Nasinim vesoljskim teleskopom James Webb.

Še večjo zmedo povzročajo znanstveniki z ekipama DES in KIDS nedavno ponovno analizirali svoje meritve skupaj in izhaja iz an S₈ vrednost bližje rezultatom Plancka.

Tako da je za zdaj slika neurejena. In nekateri kozmologi še niso prepričani, da različni S₈ meritve so v napetosti. "Mislim, da tam ni očitnega namiga o večji katastrofalni napaki," je dejal Hill. Toda, je dodal, "ni neverjetno, da bi se lahko dogajalo kaj zanimivega."

Kjer so razpoke očitne

Pred ducat leti so znanstveniki opazili prve znake težav z meritvami še enega kozmološkega parametra. Toda trajalo je več let, da se je nabralo dovolj podatkov, da so prepričali večino kozmologov, da imajo opravka s popolno krizo.

Na kratko, meritve hitrosti današnjega širjenja vesolja – znane kot Hubblova konstanta – se ne ujemajo z vrednostjo, ki jo dobite pri ekstrapolaciji iz zgodnjega vesolja. Uganka je postala znana kot Hubblova napetost.

Za izračun Hubblove konstante morajo astronomi vedeti, kako daleč so stvari. V bližnjem vesolju znanstveniki merijo razdalje z uporabo zvezd, imenovanih spremenljivke cefeide, ki občasno spreminjajo svetlost. Obstaja dobro znana povezava med tem, kako hitro ena od teh zvezd niha od najsvetlejše do najšibkejše, in koliko energije seva. To razmerje, ki so ga odkrili v začetku 20. stoletja, omogoča astronomom, da izračunajo resnično svetlost zvezde in s primerjavo tega, kako svetla je videti, lahko izračunajo njeno oddaljenost.

Z uporabo teh spremenljivih zvezd lahko znanstveniki izmerijo razdalje do galaksij, ki so od nas oddaljene do približno 100 milijonov svetlobnih let. Toda za ogled nekoliko dlje in nekoliko dlje v preteklost uporabljajo svetlejšo oznako milj – posebno vrsto zvezdne eksplozije, imenovane supernova tipa Ia. Astronomi lahko izračunajo tudi notranjo svetlost teh "standardnih sveč", kar jim omogoča merjenje razdalj do milijard svetlobnih let oddaljenih galaksij.

V zadnjih dveh desetletjih so ta opazovanja pomagala astronomom določiti vrednost, kako hitro se širi bližnje vesolje: približno 73 kilometrov na sekundo na megaparsek, kar pomeni, da ko gledate bolj stran, za vsak megaparsek (ali 3.26 milijona svetlobnih let) ) razdalje vesolje odleti 73 kilometrov na sekundo hitreje.

Toda ta vrednost je v nasprotju z vrednostjo, ki izhaja iz drugega vladarja, vgrajenega v otroško vesolje.

Na samem začetku je vesolje žgala plazma, juha osnovnih delcev in energije. "Bila je vroča zmešnjava," je rekel Vivian Poulin-Détolle, kozmolog na Univerzi v Montpellieru.

Delček sekunde v kozmični zgodovini je neki dogodek, morda obdobje ekstremnega pospeševanja, znano kot napihovanje, poslalo sunke - tlačne valove - skozi motno plazmo.

Potem, ko se je vesolje ohladilo, se je svetloba, ujeta v elementarni plazemski megli, končno osvobodila. Ta svetloba – kozmično mikrovalovno ozadje ali CMB – razkrije tiste zgodnje tlačne valove, tako kot se površina zamrznjenega jezera drži prekrivajočih se grebenov valov, zamrznjenih v času, je dejal Poulin-Détolle.

Kozmologi so izmerili najpogostejšo valovno dolžino teh zamrznjenih tlačnih valov in jo uporabili za izračun vrednosti za Hubblovo konstanto 67.6 km / s / Mpc, z negotovostjo manj kot 1 %.

Posebno neskladne vrednosti - približno 67 proti 73 - so sprožile gorečo razpravo v kozmologiji, ki še vedno ni razrešena.

Astronomi se obračajo k neodvisnim označevalcem kozmičnih kilometrov. V zadnjih šestih letih, Wendy Freeman Univerze v Chicagu (ki se ukvarja s Hubblovo konstanto četrt stoletja) se je osredotočil na vrsto stare rdeče zvezde, ki običajno živi v zunanjih delih galaksij. Tam zunaj lahko manj prekrivajočih se svetlih zvezd in manj prahu vodi do jasnejših meritev. Z uporabo teh zvezd so Freedmanova in njeni kolegi izmerili hitrost širjenja okoli 70 km/s/Mpc - "kar se pravzaprav zelo dobro ujema s cefeidi," je dejala. "Vendar se tudi precej dobro ujema z mikrovalovnim ozadjem."

Zdaj se je obrnila na močno infrardeče oko JWST, da bi pristopila k težavi. S svojimi kolegi meri razdalje do teh orjaških rdečih zvezd v 11 bližnjih galaksijah, hkrati pa meri razdalje do cefeid in vrste utripajoče ogljikove zvezde v teh istih galaksijah. Pričakujejo, da bodo rezultate objavili enkrat to pomlad, vendar so že, kot je dejala, "podatki videti res spektakularni."

"Zelo me zanima, kaj bodo našli," je dejal Hill, ki se ukvarja z razumevanjem modelov vesolja. Ali bodo ta nova opazovanja povečala razpoke v najljubšem modelu kozmologije?

Nov model?

Ker opazovanja še naprej omejujejo te ključne kozmološke parametre, poskušajo znanstveniki podatke prilagoditi svojim najboljšim modelom delovanja vesolja. Morda bodo natančnejše meritve rešile njihove težave ali pa so napetosti le artefakt nečesa vsakdanjega, kot so nenavadnosti instrumentov, ki se uporabljajo.

Ali pa so modeli napačni in bodo potrebne nove ideje - "nova fizika".

"Ali nismo bili dovolj pametni, da bi pripravili model, ki dejansko ustreza vsem," je dejal Hill, ali pa "je morda dejansko v igri več delov nove fizike."

Kaj bi lahko bili? Morda novo temeljno polje sile, je rekel Hill, ali interakcije med delci temne snovi, ki jih še ne razumemo, ali nove sestavine, ki še niso del našega opisa vesolja.

Nekateri novi fizikalni modeli prilagodijo temno energijo in dodajo val kozmičnega pospeška v zgodnjih trenutkih vesolja, preden so elektroni in protoni zablesteli drug na drugega. "Če bi lahko nekako povečali hitrost širjenja, samo malo za nekaj časa v zgodnjem vesolju," je dejal Marc Kamionkowski, kozmolog z univerze Johns Hopkins, "lahko razrešite Hubblovo napetost."

Kamionkowski in eden od njegovih podiplomskih študentov sta idejo predlagala leta 2016, dve leti kasneje pa sta začrtal nekaj podpisov ki bi jih lahko videl kozmični mikrovalovni teleskop visoke ločljivosti. In kozmološki teleskop Atacama, ki stoji na gori v Čilu, je res opazil nekaj teh signalov. Toda od takrat so drugi znanstveniki pokazali, da model ustvarja težave z drugimi kozmičnimi meritvami.

Ta vrsta natančno nastavljenega modela, kjer dodatna vrsta temne energije nastane za trenutek in nato zbledi, je preveč zapletena, da bi pojasnila, kaj se dogaja, je dejal Dragan Huterer, teoretični kozmolog na Univerzi v Michiganu. In druge predlagane rešitve Hubblove napetosti se še bolj slabo ujemajo z opazovanji. So "brezupno uglašene", je dejal, kot zgodbe, ki so čisto tako, da so preveč specifične, da bi bile v koraku z dolgotrajno idejo, da enostavnejše teorije ponavadi premagajo zapletene.

Podatki, ki bodo prišli v naslednjem letu, bodo morda pomagali. Najprej bodo rezultati Freedmanove ekipe, ki bo preučevala različne sonde bližnje stopnje širitve. Nato bodo aprila raziskovalci razkrili prve podatke največjega kozmološkega raziskovanja neba doslej, spektroskopskega instrumenta temne energije. Kasneje v tem letu bo ekipa kozmološkega teleskopa Atacama - in raziskovalci, ki izdelujejo še en prvotni zemljevid ozadja z uporabo teleskopa Južni pol - verjetno objavili svoje podrobne rezultate mikrovalovnega ozadja pri višji ločljivosti. Opazovanja na bolj oddaljenem obzorju bodo izhajala iz vesoljskega teleskopa Evropske vesoljske agencije Euclid, ki je bil izstreljen julija, in observatorija Vera C. Rubin, stroja za kartiranje celotnega neba, ki ga izdelujejo v Čilu in bo v celoti deloval leta 2025.

Vesolje je morda staro 13.8 milijarde let, vendar je naše prizadevanje, da bi ga razumeli – in naše mesto v njem – še vedno v povojih. Vse v kozmologiji se je poklopilo pred samo 15 leti, v kratkem obdobju miru, ki se je izkazalo za privid. Razpoke, ki so se pojavile pred desetletjem, so se na široko odprle in ustvarile večje razpoke v najljubšem modelu kozmologije.

"Zdaj," je rekel Di Valentino, "se je vse spremenilo."

Opomba urednika: Več znanstvenikov, omenjenih v tem članku, je prejelo sredstva od Simonsova fundacija, ki financira tudi to uredniško neodvisno revijo. Odločitve o financiranju fundacije Simons nimajo vpliva na naše kritje. Več podrobnosti je na voljo tukaj.