Kuidas (peaaegu) miski ei lahenda kosmoloogia suurimaid küsimusi | Ajakiri Quanta

Nagu helge linn keset viljatut kõrbe, ümbritseb meie galaktilist naabruskonda kosmiline tühjus – tohutu, peaaegu mõõtmatult tühi ruumitasku. Hiljuti on taevauuringud märganud veel tuhandeid neid vabu mullikesi. Nüüd on teadlased leidnud viisi, kuidas neist kosmilistest tühikutest teavet välja tõmmata: loendades, kui palju neid ruumis eksisteerib, on teadlased välja töötanud uue viisi kosmoloogia kahe kõige keerulisema küsimuse uurimiseks.

"See on esimene kord, kui kasutame kosmoloogilise teabe eraldamiseks tühiseid numbreid," ütles Alice Pisani, Princetoni ülikooli ja Flatironi instituudi kosmoloog ning a uus eeltrükk tööd kirjeldades. "Kui tahame teaduse piire nihutada, peame minema kaugemale sellest, mis on juba tehtud."

Teadlased on osaliselt otsinud uusi tööriistu, kuna neil on lahendada suuri saladusi. Esimene ja kõige hämmastavam on universumi paisumise kiirus, väärtus, mida tuntakse kui Hubble'i konstant. Teadlased on rohkem kui kümne aasta jooksul võidelnud selle määra vastuoluliste mõõtmiste ühitamise nimel, mõned on isegi nimetanud seda probleemi suurim kriis kosmoloogias.

Lisaks on teadlastel vastuolulised mõõtmised kosmilise aine klompsus — universumis jaotunud suurte struktuuride, tumeaine, galaktikate, gaasi ja tühimike keskmine tihedus aja funktsioonina.

Tavaliselt mõõdavad astronoomid neid väärtusi kahel üksteist täiendaval viisil. Kummalisel kombel annavad need kaks meetodit erinevad väärtused nii Hubble'i konstandi kui ka niinimetatud aine klastrite tugevuse jaoks.

Oma uues lähenemisviisis kasutavad Pisani ja tema kolleegid mõlema väärtuse hindamiseks kosmilisi tühimikke. Ja nende varased tulemused, mis näivad ühe traditsioonilise meetodiga palju rohkem nõustuvat kui teisega, suurendavad nüüd oma keerukust juba niigi tõsiste lahkarvamuste tekkes.

"Hubble'i pinge on seni kestnud kümme aastat, sest see on raske probleem," ütles Adam Riess, Johns Hopkinsi ülikooli astronoom, kes kasutab Hubble'i konstandi hindamiseks supernoovasid. "Ilmseid probleeme on kontrollitud ja andmed on paranenud, nii et dilemma süveneb."

Nüüd on lootus, et peaaegu mitte millegi õppimine võib viia millegi suureni.

Ehitusmullid

Tühjad on ruumipiirkonnad, mis on keskmiselt vähem tihedad kui universum. Nende piirid määravad galaktikate tohutud lehed ja niidid, mis on kootud kogu kosmoses. Mõned tühimikud ulatuvad sadu miljoneid valgusaastaid ja koos moodustavad need mullid vähemalt 80% universumi mahust. Kuid pikka aega ei pööranud keegi neile erilist tähelepanu. "Alustasin oma uurimistööd 2011. aastal umbes 200 tühimikuga," ütles Pisani. "Aga nüüd on meil umbes 6,000."

Mullidel on kalduvus laieneda, kuna nende sees ei ole palju ainet, mis avaldaks sissepoole gravitatsioonilist tõmmet. Nendest väljaspool olev kraam kipub eemale jääma. Ja kõik galaktikad, mis algavad tühjusest, tõmbavad tühjuse serva määravate struktuuride gravitatsioonijõu tõttu väljapoole. Seetõttu juhtub tühimikus "väga vähe", ütles Pisani. "Ei ole ühinemisi ega keerulist astrofüüsikat. See muudab nendega tegelemise väga lihtsaks. ”

Kuid iga tühimiku kuju on erinev, mistõttu võib teadlastel olla nende tuvastamine keeruline. "Tahame veenduda, et meie tühimikud on tugevad," ütles Pisani. "Kui tühi see peab olema ja kuidas seda mõõta?"

Selgub, et mõiste "midagi" määratlus sõltub teabe tüübist, mida astronoomid soovivad eraldada. Pisani ja tema kolleegid alustasid matemaatilise tööriistaga, mida nimetatakse Voronoi diagrammiks, mis tuvastab 3D-mosaiigi moodustavad kujundid. Neid diagramme kasutatakse tavaliselt selliste asjade uurimiseks nagu vahtude mullid ja bioloogiliste kudede rakud.

Praeguses töös kohandasid Pisani ja tema kolleegid oma Voronoi tessellatsioone, et tuvastada umbes 6,000 tühikut tohutu galaktilise kaardistamisprojekti andmetes. Barüoni ostsillatsioonispektroskoopiline uuring (ÜLEMUS).

"Tühjad täiendavad galaktikate kataloogi," ütles Benjamin Wandelt, Pariisi Sorbonne'i ülikooli astrofüüsik, kes ei osalenud uuringus. "Need on uus viis kosmilise struktuuri uurimiseks."

Kui Pisanil ja kolleegidel oli tühikute kaart, asusid nad uurima, mida see paisuva universumi kohta paljastada võiks.

Midagi eimillestki

Iga kosmiline tühjus on aken suurele kosmilisele konfliktile. Ühel pool on tume energia, salapärane jõud, mis paneb meie universumi aina kiiremini paisuma. Tume energia esineb isegi tühjas ruumis, seega domineerib see tühjuse füüsikas. Konflikti teisel poolel on gravitatsioon, mis püüab tühjust kokku tõmmata. Ja siis lisab aine klompsus tühjustele kortse.

Pisani ja tema kolleegid, sealhulgas Sofia Contarini Bologna ülikoolis modelleeris, kuidas universumi paisumine mõjutaks erineva suurusega tühimike arvu. Nende mudelis, mis hoidis käputäie muid kosmoloogilisi parameetreid konstantsena, tekitas aeglasem paisumiskiirus suurema tiheduse väiksemaid, rohkem kortsunud tühimikke. Teisest küljest, kui laienemine oleks kiirem ja aine ei kleepuks nii kergesti kokku, eeldasid nad, et leiavad rohkem suured, siledad tühimikud.

Seejärel võrdles rühm oma mudeli ennustusi BOSS-i uuringu tähelepanekutega. Selle põhjal said nad hinnata nii klompsust kui ka Hubble'i konstanti.

Seejärel kõrvutasid nad oma mõõtmised kahe traditsioonilise viisiga nende väärtuste mõõtmiseks. Esimene meetod kasutab kosmilist plahvatust, mida nimetatakse Ia tüüpi supernoovaks. Teine tugineb kosmilisele mikrolaine taustale (CMB), Suurest Paugust jäänud kiirgusele.

Tühjad andmed näitasid Hubble'i konstandit, mis erines CMB hinnangust vähem kui 1%. Kobaruse tulemus oli segasem, kuid see oli ka rohkem kooskõlas CMB-ga kui Ia tüüpi supernoovadega.

Hämmastav on see, et BOSS-i uuringu tühimikud asuvad ruumis ja ajas lähemal uuematele Ia tüüpi supernoovadele – mistõttu on pisut üllatav, et tühimike mõõtmised ühtivad paremini ürgse CMB-ga. Wandelt aga väitis, et tulemused võivad paljastada uue arusaama universumist.

"On üks sügav arusaam, mis paneb mu juuksed püsti," ütles ta. Tühikeste sees struktuurid ei tekkinud ega arenenud kunagi, seega on tühimikud "varajase universumi ajakapslid".

Teisisõnu, kui varajase universumi füüsika erines tänapäeva füüsikast, võisid tühimikud seda säilitada.

Puudumise tulevik

Teised arvavad, et on liiga vara uutest tulemustest järeldusi teha.

Isegi tuhandete tühimike korral on uuringu vearibad endiselt liiga suured, et midagi lõplikku öelda. "See analüüs on väga hästi tehtud," ütles Ruth Durrer, Genfi ülikooli teoreetiline füüsik, kes uurimistöös ei osalenud. Kuid Durrer märkis, et tulemused pole veel statistilist olulisust saavutanud. "Kui Alice tahab olla hämmastavalt heade Hubble'i pidevate mõõtmiste klubis, peab ta jõudma 1% piirini, mis on tohutu väljakutse," ütles Durrer.

Pisani ütles, et peab seda tööd kontseptsiooni tõestuseks. Tõenäoliselt kulub veel kümme aastat – ja selliste tulevaste missioonide nagu NASA Nancy Grace’i rooma kosmoseteleskoobi ja SPHERExi vaatluskeskuse abi –, et koguda piisavalt tühiandmeid, et olla võrdne vastuoluliste CMB ja Ia tüüpi supernoova mõõtmistega.

Durrer juhib ka tähelepanu sellele, et võib-olla on need argumendid - katsed lepitada kosmilisi pingeid - kõik palju kära eimillegi üle ja et vaatluste lahkarvamused võivad osutada reaalsusele, mida teadlased ei peaks püüdma kustutada.

"Supernoova ja CMB rühmad teevad mõõtmisi, mis on väga-väga erinevad," ütles ta. "Seega võib olla uus füüsika, mis selgitab, miks me ei peaks nägema sama asja."

Toimetaja märkus: Alice Pisani saab rahastuse Simons Foundation, mis rahastab ka seda toimetuslikult sõltumatut ajakirja. Simonsi fondi rahastamisotsused ei mõjuta meie katvust. Täpsemad üksikasjad on saadaval siin.