چگونه (تقریبا) هیچ چیز نمی تواند بزرگترین سؤالات کیهان شناسی را حل کند | مجله کوانتا

محله کهکشانی ما مانند شهری روشن در وسط یک بیابان بی‌حاصل، توسط یک فضای خالی کیهانی احاطه شده است - یک فضای خالی عظیم و تقریباً غیرقابل درک. اخیراً بررسی های آسمان هزاران حباب خالی دیگر را شناسایی کرده است. اکنون، محققان راهی برای بیرون کشیدن اطلاعات از این حفره‌های کیهانی پیدا کرده‌اند: دانشمندان با شمارش تعداد آنها در یک حجم از فضا، راهی جدید برای کشف دو مورد از خاردارترین سؤالات کیهان‌شناسی ابداع کرده‌اند.

گفت: «این اولین بار است که از اعداد خالی برای استخراج اطلاعات کیهان‌شناسی استفاده می‌کنیم آلیس پیسانی، کیهان شناس دانشگاه پرینستون و موسسه فلاتیرون و نویسنده الف پیش چاپ جدید شرح کار اگر می‌خواهیم مرزهای علم را کنار بگذاریم، باید از آنچه قبلاً انجام شده فراتر برویم.»

محققان تا حدودی به دنبال ابزارهای جدید بوده اند، زیرا آنها رازهای بزرگی برای حل کردن دارند. اولین و گیج کننده ترین، سرعت انبساط جهان است که به آن مقدار معروف است ثابت هابل. برای بیش از یک دهه، دانشمندان تلاش کرده‌اند تا اندازه‌گیری‌های متناقض این نرخ را با هم تطبیق دهند و برخی حتی این موضوع را بزرگترین بحران کیهان شناسی.

علاوه بر این، محققان اندازه گیری های متناقض از توده‌ای ماده کیهانی - چگالی متوسط ​​ساختارهای بزرگ مقیاس، ماده تاریک، کهکشان‌ها، گاز و حفره‌های توزیع شده در سراسر جهان به عنوان تابعی از زمان.

به طور معمول، ستاره شناسان این مقادیر را به دو روش مکمل اندازه گیری می کنند. عجیب است که این دو روش مقادیر متفاوتی برای ثابت هابل و به اصطلاح قدرت خوشه‌بندی ماده تولید می‌کنند.

پیسانی و همکارانش در رویکرد جدید خود از حفره های کیهانی برای تخمین هر دو مقدار استفاده می کنند. و نتایج اولیه آنها، که به نظر می‌رسد با یکی از روش‌های سنتی بسیار نزدیک‌تر از روش‌های دیگر موافق است، اکنون پیچیدگی‌های خود را به یک اختلاف نظر در حال حاضر کمک می‌کند.

گفت: «تنش هابل تاکنون یک دهه به طول انجامیده است، زیرا این یک مشکل سخت است آدام ریسستاره شناس دانشگاه جان هاپکینز که از ابرنواخترها برای تخمین ثابت هابل استفاده می کند. "مسائل آشکار بررسی شده اند و داده ها بهبود یافته اند، بنابراین معضل عمیق تر می شود."

اکنون، امید این است که مطالعه تقریباً هیچ چیز نمی تواند به چیزی بزرگ منجر شود.

ساختن حباب ها

فضاهای خالی مناطقی از فضا هستند که به طور متوسط ​​چگالی کمتری نسبت به کیهان دارند. مرزهای آنها توسط ورقه ها و رشته های عظیم کهکشان ها که در سراسر کیهان بافته شده اند، مشخص می شود. برخی از حفره ها صدها میلیون سال نوری وسعت دارند و روی هم، این حباب ها حداقل 80 درصد از حجم کیهان را تشکیل می دهند. با این حال، برای مدت طولانی، هیچ کس توجه زیادی به آنها نداشت. پیسانی گفت: «من تحقیقات خود را در سال 2011 با حدود 200 فضای خالی آغاز کردم. اما اکنون ما تقریباً 6,000 نفر داریم.

حباب ها تمایل به انبساط دارند زیرا در داخل آنها، ماده زیادی برای اعمال کشش گرانشی به داخل وجود ندارد. چیزهای بیرون از آنها تمایل دارند از آنها دور بمانند. و هر کهکشانی که از داخل یک حفره شروع می شود، توسط کشش گرانشی ساختارهایی که لبه یک فضای خالی را مشخص می کنند، به بیرون کشیده می شوند. پیسانی گفت، به همین دلیل، در یک خلأ "خیلی کم اتفاق می افتد". هیچ ادغام، هیچ اخترفیزیک پیچیده ای وجود ندارد. این باعث می‌شود که به راحتی با آنها کنار بیایید.»

اما شکل هر فضای خالی متفاوت است، که می تواند شناسایی آنها را برای دانشمندان دشوار کند. پیسانی گفت: «ما می‌خواهیم مطمئن شویم که خلأهایمان قوی است. "چقدر باید خالی باشد، و چگونه آن را اندازه گیری کنم؟"

به نظر می رسد که تعریف "هیچ" به نوع اطلاعاتی که ستاره شناسان می خواهند استخراج کنند بستگی دارد. پیسانی و همکارانش با یک ابزار ریاضی به نام نمودار Voronoi شروع کردند که اشکالی را که یک موزاییک سه بعدی را تشکیل می‌دهند، شناسایی می‌کند. این نمودارها معمولاً برای مطالعه مواردی مانند حباب در فوم ها و سلول ها در بافت های بیولوژیکی استفاده می شوند.

در کار فعلی، پیسانی و همکارانش تسلیحات Voronoi خود را برای شناسایی حدود 6,000 فضای خالی در داده های یک پروژه نقشه برداری عظیم کهکشانی به نام بررسی طیف‌سنجی نوسان باریون (BOSS).

گفت: "حفره ها مکمل فهرست کهکشان ها هستند." بنجامین واندلتاخترفیزیکدان دانشگاه سوربن پاریس که در این مطالعه شرکت نداشت. آنها روش جدیدی برای کاوش در ساختار کیهانی هستند.

هنگامی که پیسانی و همکارانش نقشه خود را از حفره ها در اختیار داشتند، تصمیم گرفتند ببینند چه چیزی می تواند در مورد جهان در حال انبساط آشکار کند.

چیزی از هیچ

هر خلأ کیهانی دریچه ای به روی یک درگیری بزرگ کیهانی است. در یک طرف، انرژی تاریک وجود دارد، نیروی اسرارآمیزی که باعث می شود جهان ما با سرعت بیشتری گسترش یابد. انرژی تاریک حتی در فضای خالی نیز وجود دارد، بنابراین بر فیزیک فضای خالی غالب است. در طرف دیگر درگیری، جاذبه وجود دارد، که تلاش می کند خلاء را کنار هم بکشد. و سپس کلوخه بودن ماده چین و چروک هایی را به فضای خالی اضافه می کند.

پیسانی و همکارانش از جمله سوفیا کونتارینی از دانشگاه بولونیا، الگوبرداری کرد که چگونه انبساط جهان بر تعداد فضاهای خالی با اندازه‌های مختلف تأثیر می‌گذارد. در مدل آنها، که تعداد انگشت شماری از پارامترهای کیهانی دیگر را ثابت نگه می داشت، سرعت انبساط آهسته تر، چگالی بالاتری از حفره های کوچکتر و مچاله شده ایجاد می کرد. از سوی دیگر، اگر انبساط سریع‌تر بود و ماده به راحتی جمع نمی‌شد، انتظار داشتند چیزهای بیشتری پیدا کنند. حفره های بزرگ و صاف

سپس گروه پیش‌بینی‌های مدل خود را با مشاهدات نظرسنجی BOSS مقایسه کردند. از این رو، آنها توانستند هم کلوخگی و هم ثابت هابل را تخمین بزنند.

سپس اندازه گیری های خود را با دو روش سنتی برای اندازه گیری این مقادیر کنار هم قرار دادند. روش اول از نوعی انفجار کیهانی به نام ابرنواختر نوع Ia استفاده می کند. دومی متکی به پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB)، تشعشع باقی‌مانده از انفجار بزرگ است.

داده‌های خالی ثابت هابل را نشان می‌دهد که کمتر از 1 درصد از تخمین CMB متفاوت است. نتیجه انباشتگی بیشتر درهم بود، اما با CMB همسوتر بود تا با ابرنواخترهای نوع Ia.

جای تعجب است که حفره‌های موجود در بررسی BOSS از نظر مکان و زمان به ابرنواخترهای جدیدتر نوع Ia نزدیک‌تر هستند – که باعث می‌شود اندازه‌گیری‌های فضای خالی بیشتر با CMB اولیه هماهنگ شوند. با این حال، واندلت پیشنهاد کرد که نتایج ممکن است درک جدیدی از جهان را نشان دهد.

او گفت: «یک بینش عمیق وجود دارد که موهای من را بلند می کند. در داخل حفره‌ها، ساختارها هرگز شکل نگرفته و تکامل نیافته‌اند، بنابراین حفره‌ها «کپسول‌های زمانی جهان اولیه هستند».

به عبارت دیگر، اگر فیزیک جهان اولیه با فیزیک امروزی متفاوت بود، فضای خالی ممکن است آن را حفظ کرده باشد.

آینده غیبت

برخی دیگر فکر می کنند که برای نتیجه گیری از نتایج جدید خیلی زود است.

حتی با وجود هزاران فضای خالی، نوارهای خطای این مطالعه هنوز خیلی بزرگ است که نمی‌توان نتیجه‌گیری کرد. گفت: "این تحلیل بسیار خوب انجام شده است." روث دورر، یک فیزیکدان نظری در دانشگاه ژنو که در این تحقیق شرکت نکرد. اما، دورر خاطرنشان کرد، نتایج هنوز به اهمیت آماری نرسیده اند. دورر گفت: «اگر آلیس بخواهد در باشگاه اندازه‌گیری‌های ثابت هابل باشد، باید به حد 1 درصد برسد که چالش بزرگی است.»

پیسانی گفت که این اثر را اثباتی بر مفهوم می داند. احتمالاً یک دهه دیگر - و کمک ماموریت‌های آینده مانند تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس ناسا و رصدخانه SPHEREx - برای جمع‌آوری داده‌های خالی کافی برای همتراز با اندازه‌گیری‌های متضاد CMB و ابرنواختر نوع Ia طول خواهد کشید.

دورر همچنین خاطرنشان می‌کند که شاید این استدلال‌ها - تلاش‌ها برای آشتی دادن تنش‌های کیهانی - همه‌شان درباره هیچ چیز غوغایی هستند، و این اختلافات رصدی می‌تواند به واقعیتی اشاره کند که دانشمندان نباید سعی در پاک کردن آن داشته باشند.

او گفت: "گروه های ابرنواختر و CMB اندازه گیری هایی را انجام می دهند که بسیار بسیار متفاوت است." بنابراین ممکن است فیزیک جدیدی وجود داشته باشد که توضیح دهد چرا ما نباید همان چیز را ببینیم.

یادداشت سردبیر: آلیس پیسانی بودجه ای را از سازمان دریافت می کند بنیاد سیمونز، که همچنین بودجه این مجله مستقل سرمقاله را تامین می کند. تصمیمات مالی بنیاد سیمونز تأثیری بر پوشش ما ندارد. جزئیات بیشتر هستند اینجا موجود است.