Kosmiliste numbrite kokkupõrge seab väljakutse meie parimale universumi teooriale | Quanta ajakiri

2000. aastate alguses tundus, et kosmoloogid olid lahendanud kõige suurema ja keerukaima mõistatuse: kuidas universum töötab.

"Oli see hämmastav hetk, kui ühtäkki lõid kõik kosmoloogia tükid kokku," ütles J. Colin Hill, teoreetiline kosmoloog Columbia ülikoolist.

Kõik universumi uurimise viisid – galaktikate ja nende suuremate struktuuride kaardistamine, katastroofiliste tähtede plahvatuste püüdmine, mida nimetatakse supernoovadeks, kauguste arvutamine muutuvate tähtedeni, kosmilise jääkvalguse mõõtmine varajasest universumist – jutustas lugusid, mis "nähtavasti kattuvad", ütles Hill.

Liim, mis lugusid koos hoidis, avastati paar aastat varem, 1998. aastal: tume energia, salapärane jõud, mis kosmose kokkukleepimise asemel paneb selle kuidagi kiiremini laienema, selle asemel, et aja jooksul aeglustuda. Kui teadlased lisasid selle kosmilise millegi oma universumimudelitesse, läksid teooriad ja tähelepanekud omavahel kokku. Nad koostasid nn kosmoloogia standardmudeli, mida nimetatakse Lambda-CDM-iks, milles tumeenergia moodustab peaaegu 70% universumist, samas kui teine ​​salapärane tume olemus - nähtamatu massi tüüp, mis näib olevat interaktsioonis ainult normaalse ainega. läbi gravitatsiooni - moodustab umbes 25%. Ülejäänud 5% on kõik, mida me näeme: tähed, planeedid ja galaktikad, mida astronoomid on aastatuhandeid uurinud.

Kuid see rahuhetk oli vaid põgus vaheaeg võitluse vahel. Kui astronoomid tegid kosmilise aja jooksul universumi täpsemaid vaatlusi, hakkasid standardmudelisse tekkima praod. Mõned esimesed probleemide märgid tulid mõõtmistest muutlikud tähed ja supernoovad käputäis lähedalasuvates galaktikates – vaatlused, mis võrreldes kosmilise jääkhõõguga viitasid sellele, et meie universum mängib teistsuguste reeglite järgi, kui me arvasime, ja et ülitähtis kosmoloogiline parameeter, mis määrab, kui kiiresti universum laiali lendab, muutub, kui teie mõõta seda erinevate mõõdupuudega.

Kosmoloogidel oli probleem – midagi, mida nad nimetasid pingeks või oma dramaatilisematel hetkedel kriis.

Need vastuolulised mõõtmised on muutunud selgemaks alles umbes kümne aasta jooksul pärast esimeste pragude ilmnemist. Ja see lahknevus ei ole ainus väljakutse kosmoloogia standardmudelile. Galaktikate vaatlused viitavad sellele, et viis, kuidas kosmilised struktuurid on kokku kleepunud võib aja jooksul erineda meie parimast arusaamast selle kohta, kuidas tänane universum oleks pidanud kasvama varajases kosmoses peitunud seemnetest. Ja veelgi peenemad ebakõlad tulenevad universumi varaseima valguse üksikasjalikest uuringutest.

Muid ebakõlasid on palju. "Mujal on palju väiksemaid probleeme," ütles Eleonora di Valentino, Sheffieldi ülikooli teoreetiline kosmoloog. "Seepärast on see mõistatuslik. Sest see pole ainult need suured probleemid."

Nende pingete leevendamiseks kasutavad kosmoloogid kahte üksteist täiendavat lähenemisviisi. Esiteks jätkavad nad kosmose täpsemaid vaatlusi, lootuses, et paremad andmed paljastavad vihjeid, kuidas edasi minna. Lisaks leiavad nad viise, kuidas standardmudelit ootamatute tulemuste saavutamiseks peenelt kohandada. Kuid need lahendused on sageli väljamõeldud ja kui need lahendavad ühe probleemi, muudavad nad sageli teised hullemaks.

"Praegune olukord näib olevat suur segadus," ütles Hill. "Ma ei tea, mida sellest teha."

Väändunud valgus

Meie universumi iseloomustamiseks kasutavad teadlased käputäis numbreid, mida kosmoloogid nimetavad parameetriteks. Füüsilised olemid, millele need väärtused viitavad, on kõik hiiglasliku kosmilise masina hammasrattad, kusjuures iga bitt on teistega ühendatud.

Üks neist parameetritest on seotud sellega, kui tugevalt mass kokku kleebub. See omakorda räägib meile midagi tumeenergia toimimise kohta, kuna selle kiirenev väljapoole tõuge läheb vastuollu kosmilise massi gravitatsioonilise tõmbejõuga. Kobaruse kvantifitseerimiseks kasutavad teadlased muutujat nimega S₈. Kui väärtus on null, siis universumil pole varieerumist ega struktuuri, selgitati Sunao Sugiyama, Pennsylvania ülikooli vaatluskosmoloog. See on nagu tasane, ilmetu preeria, kus pole isegi sipelgapesa, mis maastikku purustaks. Aga kui S₈ on lähemal 1-le, on universum nagu tohutu sakiline mäeahelik, mille massiivsed tiheda aine tükid, mida eraldavad tühimiku orud. Plancki kosmoseaparaadi vaatlused väga varajasest universumist – kus esimesed struktuuriseemned kinnistusid – leidsid väärtuse 0.83.

Kuid hiljutise kosmilise ajaloo tähelepanekud ei ole päris kooskõlas.

Et võrrelda tänapäeva universumis esinevat klompsust imiku kosmose mõõtmistega, uurivad teadlased, kuidas aine jaguneb suurte taevaalade vahel.

Nähtavate galaktikate arvestamine on üks asi. Kuid nähtamatu võrgu kaardistamine, millel need galaktikad asuvad, on teine ​​asi. Selleks vaatavad kosmoloogid väikeseid moonutusi galaktikate valguses, sest valguse teekond läbi kosmose põimudes on kõverdunud, kuna nähtamatu aine gravitatsiooniline hulk valgust kõrvale kaldub.

Neid moonutusi (tuntud kui nõrka gravitatsiooniläätse) uurides saavad teadlased jälgida tumeaine jaotumist mööda valguse liikumisteid. Samuti saavad nad hinnata, kus galaktikad asuvad. Mõlemad teabe bitid käes, loovad astronoomid universumi nähtava ja nähtamatu massi 3D-kaarte, mis võimaldavad mõõta, kuidas kosmilise struktuuriga maastik aja jooksul muutub ja kasvab.

Viimase paari aasta jooksul on kolm nõrga läätsega uuringut kaardistanud suuri taevalaike: Dark Energy Survey (DES), mis kasutab teleskoopi Tšiili Atacama kõrbes; Kilo-Degree Survey (KIDS), samuti Tšiilis; ja viimati Hawaiil Subaru teleskoobi Hyper Suprime-Cami (HSC) viieaastane uuring.

Mõni aasta tagasi koostasid DES ja KIDS uuringud S₈ väärtused, mis on madalamad kui Planckil, mis tähendab väiksemaid mäeahelikke ja madalamaid tippe kui ürgne kosmiline supp. Kuid need olid lihtsalt ahvatlevad vihjed vigadele meie arusaamises kosmiliste struktuuride kasvamisest ja konglomereerumisest. Kosmoloogid vajasid rohkem andmeid ja ootasid huviga Subaru HSC tulemusi, mis avaldati viiest artiklist koosnevas sarjas detsembris.

Subaru HSC meeskond uuris kümneid miljoneid galaktikaid, mis katsid taevas umbes 416 ruutkraadi ehk 2,000 täiskuud. Oma taevalaigul arvutas meeskond välja an S₈ väärtus 0.78 – kooskõlas varasemate uuringute esialgsete tulemustega ja väiksem kui Plancki teleskoobi mõõdetud väärtus varajase universumi kiirguse kohta. Subaru meeskond ütleb ettevaatlikult, et nende mõõtmised viitavad ainult pingele, kuna need pole veel jõudnud statistilise olulisuse tasemele, millele teadlased tuginevad, kuigi nad töötavad selle nimel, et lisada oma andmetele veel kolm aastat vaatlusi.

"Kui see S₈ pinge on tõesti tõsi, on midagi, millest me veel aru ei saa,” ütles Sugiyama, kes juhtis üht Subaru HSC analüüsi.

Kosmoloogid uurivad nüüd vaatluste üksikasju, et teha kindlaks ebakindluse allikad. Alustuseks hindas Subaru meeskond kaugusi enamiku galaktikateni nende üldise värvi põhjal, mis võib põhjustada ebatäpsusi. "Kui teil on [keskmise] kauguse hinnangud valesti, on teil ka mõned kosmoloogilised parameetrid, millest hoolite, valesti," ütles meeskonnaliige. Rachel Mandelbaum Carnegie Melloni ülikoolist.

Lisaks ei ole neid mõõtmisi lihtne teha, tõlgendamisel on peent keerukust. Ja erinevus galaktika kõverdatud välimuse ja selle tegeliku kuju vahel – nähtamatu massi tuvastamise võti – on sageli väga väike, ütles. Diana Scognamiglio NASA Jet Propulsion Laboratory. Lisaks võib Maa atmosfääri hägustumine veidi muuta galaktika kuju, mis on üks põhjusi, miks Scognamiglio juhib NASA James Webbi kosmoseteleskoobi abil nõrga läätsega analüüsi.

Segadust lisavad teadlased DES- ja KIDS-meeskondadega analüüsisid hiljuti oma mõõtmisi uuesti kokku ja tuletatud an S₈ väärtus Plancki tulemustele lähemal.

Nii et praegu on pilt segane. Ja mõned kosmoloogid pole veel veendunud, et erinevad S₈ mõõdud on pinges. "Ma ei usu, et seal on selget vihjet suurele katastroofilisele ebaõnnestumisele," ütles Hill. Kuid ta lisas: "Pole ebausutav, et seal võib toimuda midagi huvitavat."

Kus praod on ilmsed

Tosin aastat tagasi nägid teadlased esimesi vihjeid probleemidele mõne teise kosmoloogilise parameetri mõõtmisel. Kuid kulus aastaid, et koguda piisavalt andmeid, et veenda enamikku kosmolooge, et neil on tegemist täieliku kriisiga.

Lühidalt öeldes ei vasta universumi praeguse paisumise kiiruse mõõtmised (tuntud kui Hubble'i konstant) väärtusele, mille saate varajase universumi ekstrapoleerimisel. See mõistatus on saanud tuntuks kui Hubble'i pinge.

Hubble'i konstandi arvutamiseks peavad astronoomid teadma, kui kaugel asjad on. Lähedal asuvas kosmoses mõõdavad teadlased kaugusi tähtede abil, mida nimetatakse tsefeidi muutujateks ja mille heledus muutub perioodiliselt. On hästi teada seos selle vahel, kui kiiresti üks neist tähtedest heledamast nõrgemaks muutub ja kui palju energiat see kiirgab. See seos, mis avastati 20. sajandi alguses, võimaldab astronoomidel arvutada tähe olemusliku heleduse ja kui võrrelda seda selle eredusega, saavad nad arvutada selle kauguse.

Neid muutuvaid tähti kasutades saavad teadlased mõõta kaugusi meist kuni umbes 100 miljoni valgusaasta kaugusel asuvate galaktikateni. Kuid selleks, et näha natuke kaugemale ja ajas tagasi, kasutavad nad heledamat miilimarkerit – kindlat tüüpi täheplahvatust, mida nimetatakse Ia tüüpi supernoovaks. Astronoomid saavad arvutada ka nende "standardküünalde" sisemise heleduse, mis võimaldab neil mõõta kaugusi miljardeid valgusaastaid eemal asuvate galaktikateni.

Viimase kahe aastakümne jooksul on need tähelepanekud aidanud astronoomidel kindlaks teha, kui kiiresti lähedalasuv universum paisub: ligikaudu 73 kilomeetrit sekundis megaparseki kohta, mis tähendab, et kui vaatate kaugemale, siis iga megaparseki kohta (ehk 3.26 miljonit valgusaastat). ), lendab ruum eemale 73 kilomeetrit sekundis kiiremini.

Kuid see väärtus on vastuolus väärtusega, mis on tuletatud teiselt imiku universumis olevalt valitsejalt.

Alguses põletas universum plasmat, põhiosakeste ja energia suppi. "See oli kuum segadus," ütles Vivian Poulin-Détolle, Montpellieri ülikooli kosmoloog.

Sekundi murdosa kosmilises ajaloos, mõni juhtum, võib-olla äärmusliku kiirenduse periood, mida tuntakse inflatsioonina, saatis läbi häguse plasma raputusi – rõhulaineid.

Seejärel, kui universum jahtus, pääses elementaarsesse plasmaudu lõksu jäänud valgus lõpuks lahti. See valgus – kosmiline mikrolaine taust ehk CMB – paljastab need varajased rõhulained, just nagu külmunud järve pind hoiab kinni ajas külmunud lainete kattuvatest harjadest, ütles Poulin-Détolle.

Kosmoloogid on mõõtnud nende külmunud rõhulainete kõige levinumat lainepikkust ja kasutanud seda Hubble'i konstandi väärtuse arvutamiseks. 67.6 km/s/Mpc, mille määramatus on alla 1%.

Omapäraselt vastuolulised väärtused – ligikaudu 67 versus 73 – on vallandanud kosmoloogias tulise arutelu, mis on siiani lahendamata.

Astronoomid pöörduvad sõltumatute kosmiliste miilimärkide poole. Viimase kuue aasta jooksul Wendy Freeman Chicago ülikooli teadlane (kes on veerand sajandit töötanud Hubble'i konstandi kallal) on keskendunud teatud tüüpi vanale punasele tähele, mis tavaliselt elab galaktikate välimistes osades. Väljas võib vähem kattuvaid eredaid tähti ja vähem tolmu kaasa tuua selgemad mõõtmised. Neid tähti kasutades on Freedman ja tema kolleegid mõõtnud paisumiskiiruseks umbes 70 km/s/Mpc – "mis on tegelikult päris hästi kooskõlas tsefeididega," ütles ta. "Kuid see on ka mikrolaineahju taustaga üsna hästi kooskõlas."

Nüüd on ta probleemile lähenemiseks pöördunud JWST võimsa infrapunasilma poole. Koos kolleegidega mõõdab ta kaugusi nende hiiglaslike punaste tähtedeni 11 lähedalasuvas galaktikas, mõõtes samal ajal kaugusi tsefeidide ja teatud tüüpi pulseeriva süsiniku täheni neis samades galaktikates. Nad loodavad tulemused avaldada millalgi sel kevadel, kuid juba praegu, ütles ta, "andmed tunduvad tõesti tähelepanuväärsed."

"Olen väga huvitatud sellest, mida nad leiavad," ütles Hill, kes töötab universumi mudelite mõistmise nimel. Kas need uued tähelepanekud laiendavad pragusid kosmoloogia lemmikmudelis?

Uus mudel?

Kuna vaatlused piiravad jätkuvalt neid olulisi kosmoloogilisi parameetreid, püüavad teadlased sobitada andmeid oma parimate universumi toimimise mudelitega. Võib-olla lahendavad nende probleemid täpsemad mõõtmised või võib-olla on pinged lihtsalt millegi ilmaliku artefakt, nagu kasutatavate instrumentide veidrused.

Või on mudelid valed ja vaja on uusi ideid - "uut füüsikat".

"Me kas ei ole olnud piisavalt targad, et välja pakkuda mudel, mis tegelikult sobib kõigega," ütles Hill, või "tegelikult võib mängus olla mitu uut füüsikat."

Mis need olla võivad? Võib-olla uus fundamentaalne jõuväli, ütles Hill, või vastastikmõjud tumeaine osakeste vahel, mida me veel ei mõista, või uued koostisosad, mis ei ole veel osa meie universumi kirjeldusest.

Mõned uued füüsikamudelid kohandavad tumedat energiat, lisades kosmilise kiirenduse universumi esimestel hetkedel, enne kui elektronid ja prootonid üksteise külge kumasid. "Kui paisumiskiirust saaks kuidagi suurendada, vaid natukeseks ajaks varajases universumis," ütles Marc Kamionkowski, Johns Hopkinsi ülikooli kosmoloog, "saate lahendada Hubble'i pinged."

Kamionkowski ja üks tema magistrantidest pakkusid selle idee välja 2016. aastal ning kaks aastat hiljem tõi välja mõned allkirjad mida peaks nägema suure eraldusvõimega kosmilise mikrolaine taustateleskoop. Ja Atacama kosmoloogiateleskoop, mis asus Tšiili mäel, nägi mõnda neist signaalidest. Kuid sellest ajast alates on teised teadlased näidanud, et mudel tekitab probleeme teiste kosmiliste mõõtmistega.

Selline peenhäälestatud mudel, kus täiendav tumeenergia tüüp hetkeks hüppab ja siis kaob, on liiga keeruline, et seletada, mis toimub, ütles. Dragan Huterer, Michigani ülikooli teoreetiline kosmoloog. Ja teised väljapakutud lahendused Hubble'i pingele kalduvad vaatlustega veelgi halvemini kokku sobima. Ta ütles, et need on "lootusetult häälestatud", nagu lihtsalt lood, mis on liiga spetsiifilised, et olla kooskõlas kauaaegse ideega, et lihtsamad teooriad kipuvad võitma keerukate teooriate vastu.

Järgmisel aastal saabuvad andmed võivad aidata. Esiteks on Freedmani meeskonna tulemused, mis uurivad lähedalasuva laienemiskiiruse erinevaid sonde. Seejärel avaldavad teadlased aprillis esimesed andmed seni suurimast kosmoloogilisest taevauuringust, Dark Energy Spectroscopic Instrument. Hiljem sel aastal avaldavad Atacama kosmoloogiateleskoobi meeskond ja teadlased, kes koostavad lõunapooluse teleskoobi abil veel ühe ürgse taustakaardi, tõenäoliselt avaldavad oma üksikasjalikud tulemused mikrolaine tausta kohta kõrgema eraldusvõimega. Vaatlused kaugemal silmapiiril tulevad Euroopa Kosmoseagentuuri juulis startinud kosmoseteleskoobist Euclid ja Tšiilis ehitatavast Vera C. Rubini vaatlusmasinast, mis hakkab täielikult tööle 2025. aastal.

Universum võib olla 13.8 miljardit aastat vana, kuid meie püüdlused seda mõista – ja meie kohta selles – on alles lapsekingades. Kõik kosmoloogias sobis kokku vaid 15 aastat tagasi, lühikesel rahuperioodil, mis osutus miraažiks. Kümmekond aastat tagasi tekkinud lõhed on laiali lõhenenud, tekitades kosmoloogia lemmikmudelis suuremaid lõhesid.

"Nüüd," ütles Di Valentino, "kõik on muutunud."

Toimetaja märkus: mitu selles artiklis mainitud teadlast on saanud rahastuse Simons Foundation, mis rahastab ka seda toimetuslikult sõltumatut ajakirja. Simonsi fondi rahastamisotsused ei mõjuta meie katvust. Täpsemad üksikasjad on saadaval siin.