Hvordan (næsten) intet kan løse kosmologiens største spørgsmål | Quanta Magasinet

Som en lys by midt i en gold ørken er vores galaktiske kvarter indhyllet af et kosmisk tomrum - en enorm, næsten uudgrundelig tom lomme af rum. For nylig har himmelundersøgelser set flere tusinde af disse ledige bobler. Nu har forskere fundet en måde at trække information ud af disse kosmiske tomrum: Ved at tælle, hvor mange af dem der findes i et rumfang, har videnskabsmænd udtænkt en ny måde at udforske to af de vanskeligste spørgsmål i kosmologi.

"Det er allerførste gang, at vi har brugt tomme tal til at udtrække kosmologisk information," sagde Alice Pisani, en kosmolog ved Princeton University og Flatiron Institute og en forfatter til en nyt fortryk beskriver arbejdet. "Hvis vi vil skubbe grænserne for videnskab, er vi nødt til at gå ud over, hvad der allerede er blevet gjort."

Forskere har blandt andet ledt efter nye værktøjer, fordi de har nogle store mysterier at løse. Den første og mest forvirrende er den hastighed, hvormed universet udvider sig, en værdi kendt som Hubble konstant. I mere end et årti har videnskabsmænd kæmpet for at forene modstridende målinger af denne hastighed, hvor nogle endda kalder problemet for største krise i kosmologi.

Derudover har forskere modstridende målinger af det kosmiske stofs klumphed - den gennemsnitlige tæthed af storskalastrukturer, mørkt stof, galakser, gas og hulrum fordelt over hele universet som en funktion af tid.

Typisk måler astronomer disse værdier på to komplementære måder. Mærkeligt nok producerer disse to metoder forskellige værdier for både Hubble-konstanten og den såkaldte stofklyngestyrke.

I deres nye tilgang bruger Pisani og hendes kolleger kosmiske tomrum til at estimere begge værdier. Og deres tidlige resultater, som synes at stemme meget mere overens med den ene af de traditionelle metoder end den anden, bidrager nu med deres egen kompleksitet til en allerede fyldt uenighed.

"Hubble-spændingen har varet et årti indtil videre, fordi det er et hårdt problem," sagde Adam Riess, en astronom ved Johns Hopkins University, der bruger supernovaer til at estimere Hubble-konstanten. "De åbenlyse problemer er blevet tjekket, og dataene er blevet forbedret, så dilemmaet bliver dybere."

Nu er håbet, at det at studere næsten ingenting kan føre til noget stort.

Bygge bobler

Hulrum er områder i rummet, der i gennemsnit er mindre tæt end universet. Deres grænser er defineret af de enorme ark og filamenter af galakser, der er vævet i hele kosmos. Nogle hulrum spænder over hundreder af millioner af lysår, og tilsammen udgør disse bobler mindst 80 % af universets volumen. I lang tid var der dog ingen, der var meget opmærksomme på dem. "Jeg begyndte min forskning i 2011 med omkring 200 tomrum," sagde Pisani. "Men nu har vi omkring 6,000."

Boblerne har en tendens til at udvide sig, fordi der inde i dem ikke er meget stof til at udøve en indadgående tyngdekraft. Tingene uden for dem har en tendens til at holde sig væk. Og enhver galakse, der starter inde i et tomrum, bliver trukket udad af tyngdekraften fra de strukturer, der definerer et tomrums kant. På grund af dette sker der i et tomrum "meget lidt," sagde Pisani. "Der er ingen fusioner, ingen kompliceret astrofysik. Det gør dem meget nemme at have med at gøre.”

Men hvert hulrums form er forskellig, hvilket kan gøre det vanskeligt for videnskabsmænd at identificere dem. "Vi vil sikre os, at vores hulrum er robuste," sagde Pisani. "Hvor tom skal den være, og hvordan måler jeg den?"

Det viser sig, at definitionen af ​​"intet" afhænger af, hvilken type information astronomer ønsker at udvinde. Pisani og kolleger startede med et matematisk værktøj kaldet et Voronoi-diagram, som identificerer de former, der udgør en 3D-mosaik. Disse diagrammer bruges typisk til at studere ting som bobler i skum og celler i biologiske væv.

I det nuværende arbejde skræddersyede Pisani og hendes kolleger deres Voronoi-tesselationer til at identificere omkring 6,000 hulrum i dataene fra et enormt galaktisk kortlægningsprojekt kaldet Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (CHEF).

"Tomrum er komplementære til kataloget over galakser," sagde Benjamin Wandelt, en astrofysiker ved Sorbonne Universitet i Paris, som ikke var involveret i undersøgelsen. "De er en ny måde at undersøge kosmisk struktur på."

Da Pisani og kolleger havde deres kort over hulrum, satte de sig for at se, hvad det kunne afsløre om det ekspanderende univers.

Noget fra ingenting

Ethvert kosmisk tomrum er et vindue på en stor kosmisk konflikt. På den ene side er der mørk energi, den mystiske kraft, der får vores univers til at udvide sig stadig hurtigere. Mørk energi er til stede selv i det tomme rum, så det dominerer tomrummets fysik. På den anden side af konflikten er der tyngdekraften, som forsøger at trække tomrummet sammen. Og så tilføjer materiens klumpethed rynker til hulrummene.

Pisani og hendes kolleger, bl.a Sofia Contarini fra universitetet i Bologna, modellerede, hvordan universets udvidelse ville påvirke antallet af hulrum af forskellig størrelse. I deres model, som holdt en håndfuld andre kosmologiske parametre konstante, producerede en langsommere ekspansionshastighed en højere tæthed af mindre, mere sammenkrøllede hulrum. På den anden side, hvis udvidelsen var hurtigere, og stoffet ikke klumpede sig så let, forventede de at finde mere store, glatte hulrum.

Gruppen sammenlignede derefter deres modelforudsigelser med observationer fra BOSS-undersøgelsen. Ud fra dette var de i stand til at estimere både klumphed og Hubble-konstanten.

De sammenstillede derefter deres målinger med de to traditionelle måder at måle disse værdier på. Den første metode bruger en type kosmisk eksplosion kaldet en Type Ia supernova. Den anden er afhængig af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), strålingen tilbage fra Big Bang.

Ugyldige data afslørede en Hubble-konstant, der varierede med mindre end 1 % fra CMB's estimat. Resultatet for klumpet var mere forvirret, men det passede også tættere på CMB end med Type Ia supernovaer.

Forvirrende nok ligger hulrummene i BOSS-undersøgelsen tættere i rum og tid på nyere Type Ia-supernovaer - hvilket gør det en smule overraskende, at hulrumsmålingerne er tættere på linje med den oprindelige CMB. Wandelt foreslog dog, at resultaterne kunne afsløre en ny forståelse af universet.

"Der er en dyb indsigt, der får mit hår til at rejse sig," sagde han. Inde i hulrum blev strukturer aldrig dannet og udviklet, så hulrum "er tidskapsler af det tidlige univers."

Med andre ord, hvis fysikken i det tidlige univers var anderledes end nutidens fysik, kan hulrummene have bevaret den.

Fraværets fremtid

Andre mener, at det er for tidligt at drage nogen konklusioner fra de nye resultater.

Selv med tusindvis af tomrum er undersøgelsens fejlbjælker stadig for store til at sige noget afgørende. "Denne analyse er ekstremt godt udført," sagde Ruth Durrer, en teoretisk fysiker ved universitetet i Genève, som ikke deltog i forskningen. Men, bemærkede Durrer, resultaterne har ikke nået statistisk signifikans - endnu. "Hvis Alice ønsker at være i klubben med utroligt gode konstante Hubble-målinger, er hun nødt til at nå grænsen på 1%, hvilket er en kæmpe udfordring," sagde Durrer.

Pisani sagde, at hun betragter værket som et proof of concept. Det vil sandsynligvis tage endnu et årti - og hjælp fra fremtidige missioner såsom NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope og SPHERex Observatory - at akkumulere nok tomme data til at være på niveau med de modstridende CMB og Type Ia supernovamålinger.

Durrer påpeger også, at måske disse argumenter - forsøgene på at forene kosmiske spændinger - alle handler om ingenting, og at de observationsmæssige uenigheder kunne pege på en realitet, som videnskabsmænd ikke burde forsøge at slette.

"Supernova- og CMB-grupperne laver målinger, der er meget, meget forskellige," sagde hun. "Så der kan være ny fysik, der forklarer, hvorfor vi ikke burde se det samme."

Redaktørens note: Alice Pisani modtager finansiering fra Simons Foundation, som også finansierer dette redaktionelt uafhængige blad. Simons Fondens finansieringsbeslutninger har ingen indflydelse på vores dækning. Flere detaljer er tilgængelig her.