Clashing Cosmic Numbers Utmana vår bästa teori om universum | Quanta Magazine

I början av 2000-talet verkade det som att kosmologer hade löst det största och mest komplexa pusslet av alla: hur universum fungerar.

"Det var ett fantastiskt ögonblick när alla delar av kosmologin plötsligt knäpptes ihop," sa J. Colin Hill, en teoretisk kosmolog vid Columbia University.

Alla sätt att studera universum - kartlägga galaxer och deras större strukturer, fånga katastrofala stjärnexplosioner som kallas supernovor, beräkna avstånd till variabla stjärnor, mäta den kvarvarande kosmiska glöden från det tidiga universum - berättade historier som "verkade överlappa", sa Hill.

Limmet som höll ihop berättelserna hade upptäckts några år tidigare, 1998: mörk energi, en mystisk kraft som, snarare än att limma samman kosmos, på något sätt får den att expandera allt snabbare istället för att sakta ner med tiden. När forskare inkluderade detta kosmiska något i sina modeller av universum, möttes teorier och observationer. De utarbetade vad som nu är känt som standardmodellen för kosmologi, kallad Lambda-CDM, där mörk energi utgör nästan 70% av universum, medan en annan mystisk mörk enhet - en typ av osynlig massa som bara verkar interagera med normal materia genom gravitation — utgör cirka 25%. De återstående 5 % är allt vi kan se: stjärnorna, planeterna och galaxerna som astronomer har studerat i årtusenden.

Men den stunden av lugn var bara en kort paus mellan tider av kamp. När astronomer gjorde mer exakta observationer av universum över den kosmiska tidens svep, började sprickor uppstå i standardmodellen. Några av de första tecknen på problem kom från mätningar av variabla stjärnor och supernovor i en handfull närliggande galaxer - observationer som, jämfört med den kvarvarande kosmiska glöden, antydde att vårt universum spelar enligt andra regler än vi trodde, och att en avgörande kosmologisk parameter som definierar hur snabbt universum flyger isär förändras när du mät det med olika måttstockar.

Kosmologer hade ett problem - något de kallade en spänning, eller, i sina mer dramatiska ögonblick, en kris.

Dessa disharmoniska mätningar har bara blivit mer distinkta under det decennium eller så sedan de första sprickorna uppstod. Och denna diskrepans är inte den enda utmaningen för kosmologins standardmodell. Observationer av galaxer tyder på att det sätt på vilket kosmiska strukturer har klumpats ihop över tid kan skilja sig från vår bästa förståelse för hur dagens universum borde ha vuxit från frön inbäddade i det tidiga kosmos. Och ännu mer subtila missmatchningar kommer från detaljerade studier av universums tidigaste ljus.

Andra inkonsekvenser finns i överflöd. "Det finns många fler mindre problem på andra håll," sa Eleonora Di Valentino, en teoretisk kosmolog vid University of Sheffield. "Det är därför det är förbryllande. För det är inte bara dessa stora problem."

För att lindra dessa spänningar tar kosmologer två komplementära tillvägagångssätt. För det första fortsätter de att göra mer exakta observationer av kosmos, i hopp om att bättre data kommer att avslöja ledtrådar om hur man ska gå vidare. Dessutom hittar de sätt att subtilt justera standardmodellen för att tillgodose de oväntade resultaten. Men dessa lösningar är ofta tilltänkta, och om de löser ett problem gör de ofta andra värre.

"Situationen just nu verkar som en stor röra," sa Hill. "Jag vet inte vad jag ska göra av det."

Skevt ljus

För att karakterisera vårt universum använder forskare en handfull siffror, som kosmologer kallar parametrar. De fysiska enheterna som dessa värden refererar till är alla kugghjul i en gigantisk kosmisk maskin, med varje bit kopplad till de andra.

En av dessa parametrar relaterar till hur starkt massan klumpar ihop sig. Det i sin tur säger oss något om hur mörk energi fungerar, eftersom dess accelererande tryck utåt står i konflikt med den kosmiska massans gravitationskraft. För att kvantifiera klumpighet använder forskare en variabel som kallas S₈. Om värdet är noll, så har universum ingen variation och ingen struktur, förklarat Sunao Sugiyama, en observationskosmolog vid University of Pennsylvania. Det är som en platt, karaktärslös prärie, med inte ens en myrstack som bryter upp landskapet. Men om S₈ är närmare 1, är universum som en enorm, taggig bergskedja, med massiva klumpar av tät materia åtskilda av dalar av ingenting. Observationer gjorda av rymdfarkosten Planck från det mycket tidiga universum – där de första strukturfröna tog fäste – finner ett värde av 0.83.

Men observationer av nyare kosmisk historia stämmer inte riktigt överens.

För att jämföra klumpigheten i dagens universum med mätningar av spädbarns kosmos, undersöker forskare hur materia är fördelad över stora himmelsträckor.

Att redogöra för synliga galaxer är en sak. Men att kartlägga det osynliga nätverket som dessa galaxer ligger på är en annan. För att göra det tittar kosmologer på små förvrängningar i galaxernas ljus, eftersom ljusets väg tar när det vävs genom kosmos förvrängs när ljuset avleds av gravitationskraften av osynlig materia.

Genom att studera dessa förvrängningar (känd som svag gravitationslinsning) kan forskare spåra fördelningen av mörk materia längs de vägar som ljuset tog. De kan också uppskatta var galaxerna finns. Med båda informationsbitarna i handen skapar astronomer 3D-kartor över universums synliga och osynliga massa, vilket låter dem mäta hur landskapet med kosmisk struktur förändras och växer över tiden.

Under de senaste åren har tre undersökningar med svaga linser kartlagt stora fläckar på himlen: Dark Energy Survey (DES), som använder ett teleskop i Chiles Atacamaöken; Kilo-Degree Survey (KIDS), även i Chile; och senast, en femårig undersökning från Subaru Telescopes Hyper Suprime-Cam (HSC) i Hawaii.

För några år sedan producerades DES- och KIDS-undersökningarna S₈ värden lägre än Plancks - vilket innebär mindre bergskedjor och lägre toppar än vad den ursprungliga kosmiska soppan satte upp. Men det var bara lockande antydningar om brister i vår förståelse av hur kosmiska strukturer växer och konglomerar. Kosmologer behövde mer data och väntade ivrigt på Subaru HSC-resultaten, som publicerades i en serie om fem tidningar i december.

Subaru HSC-teamet undersökte tiotals miljoner galaxer som täcker cirka 416 kvadratgrader på himlen, eller motsvarande 2,000 XNUMX fullmånar. I sin himmelsfläck beräknade laget en S₈ värde på 0.78 — i linje med de initiala resultaten från tidigare undersökningar, och mindre än det uppmätta värdet från Planck-teleskopets observationer av det tidiga universums strålning. Subaru-teamet är noga med att säga att deras mätningar bara "antyder" en spänning eftersom de inte riktigt har nått den nivå av statistisk signifikans som forskarna litar på, även om de arbetar med att lägga till ytterligare tre års observationer till sina data.

"Om det här S₈ spänningen är verkligen sant, det är något som vi inte förstår ännu, säger Sugiyama, som ledde en av Subaru HSC-analyserna.

Kosmologer undersöker nu detaljerna i observationerna för att reda ut källor till osäkerhet. Till att börja med uppskattade Subaru-teamet avstånden till de flesta av deras galaxer baserat på deras övergripande färg, vilket kan leda till felaktigheter. "Om du hade fel uppskattningar av [genomsnittligt] avstånd, skulle du också få några av dina kosmologiska parametrar som du bryr dig om fel," sa teammedlemmen Rachel Mandelbaum från Carnegie Mellon University.

Utöver det är dessa mätningar inte lätta att göra, med subtila komplexiteter i tolkningen. Och skillnaden mellan en galaxs skeva utseende och dess faktiska form - nyckeln till att identifiera osynlig massa - är ofta mycket liten, sa Diana Scognamiglio från NASA:s Jet Propulsion Laboratory. Dessutom kan suddighet från jordens atmosfär ändra formen på en galax något, vilket är en av anledningarna till att Scognamiglio leder en analys med svag lins med hjälp av NASAs James Webb rymdteleskop.

Lägger till mer förvirring, forskare med DES- och KIDS-teamen analyserade nyligen sina mätningar tillsammans och härledde en S₈ värde närmare Planck-resultaten.

Så för tillfället är bilden rörig. Och vissa kosmologer är ännu inte övertygade om att de olika S₈ mätningarna är i spänning. "Jag tror inte att det finns en uppenbar antydan till ett stort katastrofalt misslyckande där," sa Hill. Men, tillade han, "det är inte osannolikt att det kan vara något intressant på gång."

Där sprickor är uppenbara

För ett dussin år sedan såg forskare de första antydningarna av problem med mätningar av en annan kosmologisk parameter. Men det tog år att samla tillräckligt med data för att övertyga de flesta kosmologer om att de hade att göra med en fullständig kris.

Kort sagt, mätningar av hur snabbt universum expanderar idag – känd som Hubble-konstanten – matchar inte värdet du får när du extrapolerar från det tidiga universum. Gåtan har blivit känd som Hubble-spänningen.

För att beräkna Hubble-konstanten måste astronomer veta hur långt bort saker och ting är. I det närliggande kosmos mäter forskare avstånd med hjälp av stjärnor som kallas Cepheidvariabler som periodiskt ändras i ljusstyrka. Det finns ett välkänt samband mellan hur snabbt en av dessa stjärnor svänger från ljusast till svagast och hur mycket energi den utstrålar. Det förhållandet, som upptäcktes i början av 20-talet, gör det möjligt för astronomer att beräkna stjärnans inneboende ljusstyrka, och genom att jämföra den med hur ljus den ser ut kan de beräkna dess avstånd.

Med hjälp av dessa variabla stjärnor kan forskare mäta avstånden till galaxer upp till cirka 100 miljoner ljusår från oss. Men för att se lite längre bort och lite längre tillbaka i tiden använder de en ljusare milmarkör – en specifik typ av stjärnexplosion som kallas en supernova av typ Ia. Astronomer kan också beräkna den inneboende ljusstyrkan för dessa "standardljus", vilket gör att de kan mäta avstånd till galaxer miljarder ljusår bort.

Under de senaste två decennierna har dessa observationer hjälpt astronomer att fastställa hur snabbt det närliggande universum expanderar: ungefär 73 kilometer per sekund per megaparsek, vilket betyder att när du tittar längre bort, för varje megaparsek (eller 3.26 miljoner ljusår) ) av avstånd flyger rymden bort 73 kilometer per sekund snabbare.

Men det värdet krockar med ett som härrör från en annan linjal inbäddad i spädbarnsuniversum.

I början var universum brännande plasma, en soppa av fundamentala partiklar och energi. "Det var en het röra," sa Vivian Poulin-Détolle, en kosmolog vid universitetet i Montpellier.

En bråkdel av en sekund in i den kosmiska historien, någon händelse, kanske en period av extrem acceleration känd som inflation, skickade stötar - tryckvågor - genom den grumliga plasman.

Sedan, när universum svalnade, bröt ljus som var fångat i den elementära plasmadimman slutligen loss. Det ljuset - den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB - avslöjar de tidiga tryckvågorna, precis som ytan på en frusen sjö håller fast vid de överlappande vågtopparna som frusna i tid, sa Poulin-Détolle.

Kosmologer har mätt den vanligaste våglängden för dessa frusna tryckvågor och använt den för att beräkna ett värde för Hubble-konstanten på 67.6 km/s/mpc, med en osäkerhet på mindre än 1 %.

De märkligt disharmoniska värderingarna - ungefär 67 mot 73 - har antänt en brinnande debatt inom kosmologin som fortfarande är olöst.

Astronomer vänder sig till oberoende kosmiska milmarkörer. De senaste sex åren, Wendy Freeman från University of Chicago (som har arbetat med Hubble-konstanten i ett kvartssekel) har fokuserat på en typ av gammal, röd stjärna som vanligtvis lever i de yttre delarna av galaxer. Där ute kan färre överlappande ljusstarka stjärnor och mindre damm leda till tydligare mätningar. Med hjälp av dessa stjärnor har Freedman och hennes kollegor mätt en expansionshastighet på cirka 70 km/s/Mpc - "vilket faktiskt stämmer ganska bra överens med Cepheiderna", sa hon. "Men det stämmer också ganska bra överens med mikrovågsbakgrunden."

Hon har nu vänt sig till JWST:s kraftfulla infraröda öga för att närma sig problemet. Tillsammans med sina kollegor mäter hon avstånden till dessa jätteröda stjärnor i 11 närliggande galaxer samtidigt som hon mäter avstånden till Cepheider och en typ av pulserande kolstjärna i samma galaxer. De förväntar sig att publicera resultaten någon gång i vår, men redan, sa hon, "data ser verkligen spektakulära ut."

"Jag är väldigt intresserad av att se vad de hittar", säger Hill, som arbetar för att förstå modeller av universum. Kommer dessa nya observationer att vidga sprickorna i kosmologins favoritmodell?

En ny modell?

Eftersom observationer fortsätter att begränsa dessa avgörande kosmologiska parametrar, försöker forskare anpassa data till sina bästa modeller av hur universum fungerar. Kanske kommer mer exakta mätningar att lösa deras problem, eller kanske är spänningarna bara en artefakt av något vardagligt, som egenheter med de instrument som används.

Eller så kanske modellerna är fel, och nya idéer - "ny fysik" - kommer att behövas.

"Antingen har vi inte varit tillräckligt smarta för att komma med en modell som faktiskt passar allt," sa Hill, eller "det kan faktiskt finnas flera delar av ny fysik på spel."

Vad kan de vara? Kanske ett nytt fundamentalt kraftfält, sa Hill, eller interaktioner mellan mörk materiepartiklar som vi ännu inte förstår, eller nya ingredienser som ännu inte är en del av vår beskrivning av universum.

Vissa nya fysikmodeller justerar mörk energi och lägger till en ökning av kosmisk acceleration i universums tidiga ögonblick, innan elektroner och protoner glödde på varandra. "Om expansionshastigheten på något sätt kunde ökas, bara en liten bit för en liten stund i det tidiga universum," sa Marc Kamionkowski, en kosmolog vid Johns Hopkins University, "du kan lösa Hubble-spänningen."

Kamionkowski och en av hans doktorander föreslog idén 2016, och två år senare de skisserat några signaturer att ett högupplöst kosmiskt mikrovågsbakgrundsteleskop ska kunna se. Och Atacama Cosmology Telescope, uppflugen på ett berg i Chile, såg några av dessa signaler. Men sedan dess har andra forskare visat att modellen skapar problem med andra kosmiska mätningar.

Den typen av finjusterad modell, där ytterligare en typ av mörk energi strömmar upp för ett ögonblick och sedan tonar ut, är för komplicerat för att förklara vad som händer, sa Dragan Huterer, en teoretisk kosmolog vid University of Michigan. Och andra föreslagna lösningar på Hubble-spänningen tenderar att matcha observationer ännu sämre. De är "hopplöst inställda", sa han, som bara berättelser som är för specifika för att vara i takt med den långvariga idén att enklare teorier tenderar att vinna över komplexa.

Data som kommer under nästa år kan hjälpa. Först ut kommer resultaten från Freedmans team som tittar på olika sonder av den närliggande expansionshastigheten. Sedan i april kommer forskare att avslöja de första uppgifterna från den största kosmologiska himmelundersökningen hittills, Dark Energy Spectroscopic Instrument. Senare under året kommer Atacama Cosmology Telescope-teamet - och forskare som gör en annan ursprunglig bakgrundskarta med hjälp av South Pole Telescope - troligen att släppa sina detaljerade resultat av mikrovågsbakgrunden med högre upplösning. Observationer på den längre horisonten kommer från Europeiska rymdorganisationens Euclid, ett rymdteleskop som lanserades i juli, och Vera C. Rubin-observatoriet, en kartläggningsmaskin för helhimmel som byggs i Chile och som kommer att vara i full drift 2025.

Universum kan vara 13.8 miljarder år gammalt, men vår strävan att förstå det - och vår plats i det - är fortfarande i sin linda. Allt inom kosmologi passade ihop för bara 15 år sedan, i en kort period av lugn som visade sig vara en hägring. Sprickorna som dök upp för ett decennium sedan har splittrats vidöppna och skapat större sprickor i kosmologins favoritmodell.

"Nu," sa Di Valentino, "har allt förändrats."

Redaktörens anmärkning: Flera forskare som nämns i den här artikeln har fått finansiering från Simons Foundation, som också finansierar denna redaktionellt oberoende tidning. Simons Foundation-finansieringsbeslut har inget inflytande på vår täckning. Mer information finns finns här.