Mørk energi kan blive svækket, viser store astrofysiske undersøgelser | Quanta Magasinet

Fysikere har udledt subtile hints om, at den mystiske "mørke" energi, der driver universet til at udvide sig hurtigere og hurtigere, kan blive svagt svækket med tiden. Det er et fund, der har potentialet til at ryste fysikkens fundament.

"Hvis det er sandt, ville det være det første rigtige spor, vi har fået om den mørke energis natur i 25 år," sagde Adam Riess, en astrofysiker ved Johns Hopkins University, der vandt Nobelprisen for medopdagelse af mørk energi i 1998.

De nye observationer kommer fra Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) teamet, som i dag afslørede et kort over kosmos af hidtil uset omfang sammen med en bonanza af målinger afledt af kortet. For mange forskere er højdepunktet et plot, der viser, at tre forskellige kombinationer af observationer alle insinuerer, at indflydelsen af ​​mørk energi kan være eroderet over æonerne.

"Det er muligt, at vi ser antydninger af mørk energi, der udvikler sig," sagde Dillon Brout fra Boston University, medlem af DESI-teamet.

Forskere i og uden for samarbejdet understreger alle, at beviserne ikke er stærke nok til at hævde en opdagelse. Observationerne favoriserer erosion af mørk energi med en slags middel statistisk signifikans, der let kunne forsvinde med yderligere data. Men forskere bemærker også, at tre forskellige sæt observationer alle peger i den samme spændende retning, en der er i modstrid med standardbilledet af mørk energi som den iboende energi af rummets vakuum - den mængde, som Albert Einstein kaldte den "kosmologiske konstant" på grund af dens uforanderlige karakter.

"Det er spændende," sagde Sesh Nadathur, en kosmolog ved University of Portsmouth, der arbejdede på DESI-analysen. "Hvis mørk energi ikke er en kosmologisk konstant, vil det være en kæmpe opdagelse."

Opkomsten af ​​den kosmologiske konstant

I 1998 brugte Riesss gruppe sammen med et andet hold af astronomer ledet af Saul Perlmutter lyset fra snesevis af fjerne, døende stjerner kaldet supernovaer til at belyse kosmos struktur. De opdagede, at universets udvidelse vokser hurtigere, efterhånden som det ældes.

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori kan ethvert stof eller energi drive kosmisk ekspansion. Men efterhånden som rummet udvider sig, bliver alle de velkendte slags stof og energi mindre tætte, når de breder sig ud i et mere rummeligt univers. Når deres tætheder falder, bør universets udvidelse bremses, ikke fremskyndes.

Et stof, der dog ikke bliver fortyndet med rummets udvidelse, er selve rummet. Hvis vakuumet har sin egen energi, så vil udvidelsen accelerere, efterhånden som der skabes mere vakuum (og derfor mere energi), ligesom Riesss og Perlmutters hold observerede. Deres opdagelse af den accelererende udvidelse af universet afslørede tilstedeværelsen af ​​en lille mængde energi forbundet med rummets vakuum - mørk energi.

Bekvemt havde Einstein overvejet en sådan mulighed, mens han udviklede generel relativitetsteori. For at stoppe fortyndingen af ​​stof fra at kollapse universet, forestillede han sig, at hele rummet kunne blive tilført en fast mængde ekstra energi, repræsenteret ved symbolet Λ, kaldet lambda, og omtalt som den kosmologiske konstant. Einsteins intuition viste sig at være slukket, da universet ikke er afbalanceret på den måde, han forestillede sig. Men efter opdagelsen i 1998, at rummet ser ud til at skubbe alt udad, vendte hans kosmologiske konstant tilbage og tog sin plads i hjertet af den nuværende standardmodel for kosmologi, et sæt sammenflettede ingredienser kaldet "Lambda CDM-modellen."

"Det er simpelt. Det er ét nummer. Den har en historie, du kan knytte til den. Det er derfor, det menes at være konstant,” sagde Licia Verde, en teoretisk kosmolog og medlem af DESI-samarbejdet.

Nu kan en ny generation af kosmologer, der besidder en ny generation af teleskoper, opfange de første hvisken fra en rigere historie.

Kortlægning af himlen

Et af disse teleskoper sidder på Kitt Peak i Arizona. DESI-teamet har udstyret teleskopets fire meter store spejl med 5,000 robotfibre, der automatisk drejer mod deres himmelske mål. Automatiseringen muliggør lynhurtig dataindsamling sammenlignet med den tidligere flagskibsgalakseundersøgelse, Sloan Digital Sky Survey (SDSS), som var afhængig af lignende fibre, som skulle sættes i mønstrede metalplader i hånden. På en nylig rekordaften var DESI i stand til at registrere placeringen af ​​næsten 200,000 galakser.

Fra maj 2021 til juni 2022 slurrede robotfibrene fotoner op, der ankom til Jorden fra forskellige epoker af kosmisk historie. DESI-forskerne har siden forvandlet disse data til det mest detaljerede kosmiske kort, der nogensinde er lavet. Den viser de præcise placeringer af omkring 6 millioner galakser, som de eksisterede for mellem omkring 2 og 12 milliarder år siden (ud af universets 13.8 milliarder år lange historie). "DESI er et virkelig fantastisk eksperiment, der producerer fantastiske data," sagde Riess.

Hemmeligheden bag DESI's præcisionskortlægning er dens evne til at indsamle spektre af galakser - datarige plots, der registrerer intensiteten af ​​hver lysfarve. Et spektrum afslører, hvor hurtigt en galakse bevæger sig væk fra os, og derfor hvilken epoke af kosmisk historie vi ser den i (jo hurtigere en galakse trækker sig tilbage, jo ældre er den). Det lader dig placere galakserne i forhold til hinanden, men for at kalibrere kortet med de korrekte afstande i forhold til Jorden - væsentlig information til en fuld rekonstruktion af kosmisk historie - har du brug for noget andet.

For DESI-samarbejdet var det noget et kludetæppe af frosne tæthedsbølger efterladt fra det tidlige univers. I de første par hundrede tusinde år efter Big Bang var kosmos en varm, tyk suppe af hovedsagelig stof og lys. Tyngdekraften trak stoffet indad, mens lys skubbede det udad, og kampen udløste tæthedsbølger, der spredte sig udad fra en snert af indledende tætte pletter i suppen. Efter at universet var afkølet og atomer blev dannet, blev det gennemsigtigt. Lyset strømmede ud og efterlod krusningerne - kaldet baryoniske akustiske svingninger (BAO'er) - frosset på plads.

Slutresultatet var en række overlappende kugler med lidt tættere skaller, der målte omkring en milliard lysår på tværs - den afstand, BAO'er havde tid til at rejse, før de frøs. Disse tætte skaller fortsatte med at danne lidt flere galakser end andre steder gjorde, og når DESI-forskere kortlægger millioner af galakser, kan de opdage spor af disse kugler. Tættere sfærer ser ud til at være større end fjernere, men da DESI-forskere ved, at sfærerne alle har samme størrelse, kan de fortælle, hvor langt væk fra Jorden galakserne virkelig er, og ændre størrelsen på kortet i overensstemmelse hermed.

For at undgå ubevidst at påvirke deres resultater, udførte forskerne en "blind" analyse, hvor de arbejdede med målinger, der var blevet blandet tilfældigt rundt for at sløre eventuelle fysiske mønstre. Derefter mødtes samarbejdet i Hawai'i i december sidste år for at afkode resultaterne og se, hvilken slags kort Kitt Peak-robotfibrene havde observeret.

Nadathur, der så live over Zoom fra sit hjem i Storbritannien, følte en spænding, da kortet blev afsløret, fordi det virkede lidt mærkeligt. "Hvis du havde nok erfaring med BAO-data, kunne du se, at der ville blive brug for noget, der var lidt anderledes end standardmodellen," sagde Nadathur. "Jeg vidste, at Lambda CDM ikke var hele billedet."

I løbet af den følgende uge, da forskerne gennemgik det nye datasæt, analyserede det og blandede det med andre store kosmologiske datasæt, opdagede de kilden til mærkværdigheden og udvekslede en byge af Slack-beskeder.

"En af mine kollegaer postede et plot, der viste denne mørke energibegrænsning og skrev ingen ord. Bare plottet og en eksploderende hovedemoji," sagde Nadathur.

Data for dage

DESI sigter på at kortlægge, hvordan universet har udvidet sig over tid ved at observere forskellige typer galakser, som de optrådte i løbet af syv epoker af kosmologisk historie. De ser så, hvor godt disse syv snapshots stemmer overens med udviklingen forudsagt af Lambda CDM. De overvejer også, hvor godt andre teorier klarer sig - såsom teorier, der tillader mørk energi at variere mellem snapshots.

Med det første år med DESI-data alene passer Lambda CDM næsten lige så godt til snapshots som en variabel mørkt stof-model. Det er først, når samarbejdet kombinerer DESI-kortet med andre snapshots - lys kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund og en serie af tre nyere supernovakort - at de to teorier begynder at glide fra hinanden.

De fandt ud af, at resultaterne varierede fra forudsigelsen af ​​Lambda CDM med 2.5, 3.5 eller 3.9 "sigmas", afhængigt af hvilket af de tre supernova-kataloger, de inkluderede. Forestil dig at vende en mønt 100 gange. Forudsigelsen for en fair mønt er 50 hoveder og 50 haler. Hvis du får 60 hoveder, er det to sigma væk fra middelværdien; oddsene for, at det sker tilfældigt (i modsætning til, at mønten er rigget) er 1 ud af 20. Hvis du får 75 hoveder - hvilket har en chance på 1-i-2-million for at ske tilfældigt - er det et resultat på fem sigma. guldstandard for at hævde en opdagelse i fysik. de opnåede sigmaværdier DESI falder et sted imellem; de kan være sjældne statistiske udsving eller reelle beviser på, at mørk energi er under forandring.

Selvom forskerne finder disse tal fristende, advarer de også mod at læse for meget i de højere værdier. Universet er meget mere kompliceret end en mønt, og de statistiske signifikanser afhænger af subtile antagelser i dataanalysen.

En stærkere grund til entusiasme er det faktum, at alle tre supernovakataloger - som spænder over noget uafhængige populationer af supernovaer - antyder, at mørk energi varierer på samme måde: Dens kraft er ved at aftage, eller som kosmologer siger, "optøer." "Når vi udskifter alle disse komplementære datasæt, har de alle en tendens til at konvergere på dette lidt negative tal," sagde Brout. Hvis uoverensstemmelsen var tilfældig, ville datasættene mere sandsynligt pege i forskellige retninger.

Joshua Frieman, en kosmolog ved University of Chicago og medlem af DESI-samarbejdet, som ikke arbejdede på dataanalysen, sagde, at han ville være glad for at se Lambda CDM falde. Som teoretiker foreslog han teorier om optøning af mørk energi i 1990'erne, og han var for nylig med til at stifte Dark Energy Survey - et projekt, der søgte efter afvigelser fra standardmodellen fra 2013 til 2019 og skabte et af de tre supernovakataloger DESI Brugt. Men han husker også, at han blev brændt af forsvindende kosmologiske anomalier i fortiden. "Min reaktion på dette er at blive fascineret," men "indtil fejlene bliver mindre, har jeg ikke tænkt mig at skrive min [Nobel] accepttale," jokede Frieman.

"Statistisk set kan det forsvinde," sagde Brout om uoverensstemmelsen med Lambda CDM-modellen. "Vi går nu alt for at finde ud af, om det vil."

Efter at have afsluttet deres tredje års observationer tidligere på ugen, forventer DESI-forskerne, at deres næste kort vil indeholde næsten dobbelt så mange galakser som det kort, der blev afsløret i dag. Og nu hvor de har mere erfaring med at lave BAO-analysen, planlægger de hurtigt at få det opdaterede treårskort frem. Dernæst kommer et femårigt kort over 40 millioner galakser.

Ud over DESI kommer en række nye instrumenter online i de kommende år, herunder det 8.4 meter lange Vera Rubin-observatorium i Chile, NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope og Den Europæiske Rumorganisations Euclid-mission.

"Vores data inden for kosmologi har taget enorme spring i løbet af de sidste 25 år, og det er ved at tage større spring," sagde Frieman.

Efterhånden som de samler nye observationer, kan forskerne fortsætte med at finde ud af, at mørk energi fremstår lige så konstant, som den har gjort i en generation. Eller hvis tendensen fortsætter i den retning, DESI's resultater foreslår, kan det ændre alt.

Ny fysik

Hvis mørk energi svækkes, kan det ikke være en kosmologisk konstant. I stedet kan det være den samme slags felt, som mange kosmologer tror udløste et øjebliks eksponentiel udvidelse under universets fødsel. Denne form for "skalarfelt" kunne fylde rummet med en mængde energi, der ser konstant ud til at begynde med - som den kosmologiske konstant - men som til sidst begynder at glide over tid.

"Ideen om, at mørk energi er varierende, er meget naturlig," sagde Paul Steinhardt, en kosmolog ved Princeton University. Ellers fortsatte han, "ville det være den eneste form for energi, vi kender, som er absolut konstant i rum og tid."

Men den variabilitet ville medføre et dybtgående paradigmeskift: Vi ville ikke leve i et vakuum, som er defineret som universets laveste energitilstand. I stedet ville vi leve i en energifyldt tilstand, der langsomt glider mod et sandt vakuum. "Vi er vant til at tro, at vi lever i tomrummet," sagde Steinhardt, "men ingen lovede dig det."

Kosmos skæbne ville afhænge af, hvor hurtigt det tal, der tidligere var kendt som den kosmologiske konstant, falder, og hvor langt det kan gå. Hvis den når nul, ville den kosmiske acceleration stoppe. Hvis det dykker langt nok under nul, vil udvidelsen af ​​rummet blive til en langsom sammentrækning - den slags vending, der kræves for cykliske teorier om kosmologi, såsom dem udviklet af Steinhardt.

Strengteoretikere deler et lignende syn. Med deres forslag om, at alt koger ned til vibration af strenge, kan de sammenvæve universer med forskellige antal dimensioner og alverdens eksotiske partikler og kræfter. Men de ikke let kan konstruere et univers, der permanent opretholder en stabil positiv energi, som vores univers har set ud til. I stedet skal energien i strengteori enten forsigtigt falde i løbet af milliarder af år eller voldsomt falde til nul eller en negativ værdi. "I bund og grund tror alle strengteoretikere, at det er det ene eller det andet. Vi ved ikke hvilken,” sagde Cumrun Vafa fra Harvard University.

Observationsbeviser for et gradvist fald i mørk energi ville være en velsignelse for scenariet med blidt fald. "Det ville være fantastisk. Det ville være den vigtigste opdagelse siden selve opdagelsen af ​​mørk energi,” sagde Vafa.

Men indtil videre er sådanne spekulationer kun forankret i DESI-analysen på de løseste måder. Kosmologer bliver nødt til at observere mange millioner flere galakser, før de for alvor underholder tanker om revolution.

"Hvis dette holder, kan det lyse vejen til en ny, potentielt dybere forståelse af universet," sagde Riess. "De næste par år burde være meget afslørende."