Kosmiset numerot haastavat maailmankaikkeuden parhaan teoriamme | Quanta-lehti

2000-luvun alussa näytti siltä, ​​että kosmologit olivat ratkaisseet suurimman ja monimutkaisimman pulman: kuinka maailmankaikkeus toimii.

"Oli tämä hämmästyttävä hetki, jolloin yhtäkkiä kaikki kosmologian palaset napsahtivat yhteen", sanoi J. Colin Hill, teoreettinen kosmologi Columbian yliopistosta.

Kaikki tavat tutkia universumia - galaksien ja niiden suurempien rakenteiden kartoitus, katastrofaalisten tähtien räjähdyksiä, joita kutsutaan supernoviksi, laskea etäisyyksiä muuttuviin tähtiin, mittaamalla kosmisen jäännöshohtoa varhaisesta universumista - kertoivat tarinoita, jotka "näyttivät menevän päällekkäin", Hill sanoi.

Tarinat koossa pitävä liima oli löydetty muutama vuosi aiemmin, vuonna 1998: tumma energia, mystinen voima, joka sen sijaan, että liimaa kosmosta yhteen, jotenkin saa sen laajenemaan entistä nopeammin sen sijaan, että se hidastuisi ajan myötä. Kun tiedemiehet sisällyttivät tämän kosmisen asian universumimalleihinsa, teoriat ja havainnot osuivat toisiinsa. He laativat nykyisen kosmologian standardimallin, nimeltään Lambda-CDM, jossa pimeä energia muodostaa lähes 70% maailmankaikkeudesta, kun taas toinen salaperäinen pimeä kokonaisuus - eräänlainen näkymätön massa, joka näyttää olevan vuorovaikutuksessa vain normaalin aineen kanssa. painovoiman kautta - muodostaa noin 25%. Loput 5 % ovat kaikkea, mitä voimme nähdä: tähdet, planeetat ja galaksit, joita tähtitieteilijät ovat tutkineet vuosituhansien ajan.

Mutta se rauhallinen hetki oli vain lyhyt hengähdystauko kamppailujen välillä. Kun tähtitieteilijät tekivät tarkempia havaintoja universumista kosmisen ajan pyyhkäisyllä, standardimalliin alkoi ilmestyä halkeamia. Jotkut ensimmäisistä ongelmista tulivat mittauksista muuttuvia tähtiä ja supernovas kourallisessa lähellä olevissa galakseissa – havainnot, jotka verrattuna kosmiseen jäännöshehkuun viittaavat siihen, että universumimme pelaa eri sääntöjen mukaan kuin luulimme, ja että ratkaiseva kosmologinen parametri, joka määrittää kuinka nopeasti universumi lentää erilleen, muuttuu, kun mittaa se eri mittapuilla.

Kosmologilla oli ongelma – jotain, jota he kutsuivat jännitteeksi tai dramaattisemmilla hetkillään kriisi.

Nämä ristiriitaiset mittaukset ovat tulleet selvemmiksi vasta noin vuosikymmenen aikana ensimmäisten halkeamien ilmaantumisen jälkeen. Ja tämä ero ei ole ainoa haaste kosmologian standardimallille. Galaksihavainnot viittaavat siihen, että tapa, jolla kosmiset rakenteet ovat paakkuuntuneet yhteen ajan mittaan saattaa poiketa parhaasta ymmärryksestämme siitä, kuinka nykyisen maailmankaikkeuden olisi pitänyt kasvaa varhaiseen kosmokseen upotetuista siemenistä. Ja vieläkin hienovaraisempia yhteensopimattomuuksia saadaan yksityiskohtaisista tutkimuksista universumin varhaisimmästä valosta.

Muita epäjohdonmukaisuuksia on runsaasti. "Mualla on paljon enemmän pienempiä ongelmia", sanoi Eleonora di Valentino, teoreettinen kosmologi Sheffieldin yliopistosta. "Tästä syystä se on hämmentävää. Koska se ei ole vain näitä suuria ongelmia."

Näiden jännitteiden lievittämiseksi kosmologit omaksuvat kaksi toisiaan täydentävää lähestymistapaa. Ensinnäkin he jatkavat tarkempien havaintojen tekemistä kosmoksesta siinä toivossa, että paremmat tiedot paljastavat vihjeitä siitä, kuinka edetä. Lisäksi he etsivät tapoja hienovaraisesti säätää vakiomallia odottamattomien tulosten mukaiseksi. Mutta nämä ratkaisut ovat usein keksittyjä, ja jos ne ratkaisevat yhden ongelman, ne usein pahentavat muita.

"Tilanne tällä hetkellä näyttää suurelta sotkulta", Hill sanoi. "En tiedä mitä tehdä siitä."

Vääntynyt valo

Universumimme karakterisoimiseksi tiedemiehet käyttävät kourallista numeroita, joita kosmologit kutsuvat parametreiksi. Fyysiset entiteetit, joihin nämä arvot viittaavat, ovat kaikki jättimäisen kosmisen koneen hammaspyöriä, joissa jokainen bitti on yhteydessä muihin.

Yksi näistä parametreista liittyy siihen, kuinka voimakkaasti massa paakkuuntuu yhteen. Se puolestaan ​​kertoo meille jotain pimeän energian toiminnasta, sillä sen kiihtyvä ulospäin työntö on ristiriidassa kosmisen massan vetovoiman kanssa. Paakkuuden kvantifioimiseksi tutkijat käyttävät muuttujaa nimeltä S₈. Jos arvo on nolla, universumilla ei ole vaihtelua eikä rakennetta, selitetään Sunao Sugiyama, havainnoiva kosmologi Pennsylvanian yliopistosta. Se on kuin tasainen, piirteetön preeria, jossa ei ole edes muurahaiskekoa, joka hajottaisi maisemaa. Mutta jos S₈ on lähempänä yhtä, maailmankaikkeus on kuin valtava, rosoinen vuorijono, jossa on massiivisia tiheän aineen möykkyjä, joita erottavat tyhjyyden laaksot. Planck-avaruusaluksen tekemät havainnot varhaisesta universumista – jossa ensimmäiset rakenteen siemenet saivat valtaansa – löytävät arvon 0.83.

Mutta lähihistorian havainnot eivät ole aivan samaa mieltä.

Vertaakseen nykyisen maailmankaikkeuden paakkuutta vauvan kosmoksen mittauksiin tutkijat selvittävät, kuinka aine jakautuu suurille taivaan alueille.

Näkyvien galaksien huomioon ottaminen on yksi asia. Mutta sen näkymättömän verkon kartoittaminen, jolla nuo galaksit sijaitsevat, on toinen. Tätä varten kosmologit tarkastelevat pieniä vääristymiä galaksien valossa, koska valon reitti, joka kulkee kutoessaan kosmoksen läpi, vääntyy, kun valoa taivutetaan näkymättömän aineen painovoiman vaikutuksesta.

Tutkimalla näitä vääristymiä (tunnetaan nimellä heikko gravitaatiolinssi) tutkijat voivat jäljittää pimeän aineen jakautumisen valon kulkemilla reiteillä. He voivat myös arvioida, missä galaksit ovat. Molemmat tietobitit käsissään tähtitieteilijät luovat 3D-karttoja maailmankaikkeuden näkyvästä ja näkymättömästä massasta, jonka avulla he voivat mitata, kuinka kosmisen rakenteen maisema muuttuu ja kasvaa ajan myötä.

Muutaman viime vuoden aikana kolme heikkoa linssitutkimusta ovat kartoittaneet suuria pilkkuja taivaalla: Dark Energy Survey (DES), joka käyttää teleskooppia Chilen Atacaman autiomaassa; Kilo-Degree Survey (KIDS), myös Chilessä; ja viimeksi viisi vuotta kestänyt tutkimus Subaru Teleskoopin Hyper Suprime-Camista (HSC) Havaijilla.

Muutama vuosi sitten DES- ja KIDS-tutkimukset tuottivat S₈ arvot ovat alhaisemmat kuin Planckin – mikä tarkoittaa pienempiä vuoristoja ja alempia huippuja kuin mitä alkuperäinen kosminen keitto pystytti. Mutta ne olivat vain kiehtovia vihjeitä puutteista ymmärryksessämme siitä, kuinka kosmiset rakenteet kasvavat ja ryhmittyvät. Kosmologit tarvitsivat lisää tietoa ja odottivat innolla Subaru HSC:n tuloksia, jotka julkaistiin viiden lehden sarjassa joulukuussa.

Subaru HSC -tiimi tutki kymmeniä miljoonia galakseja, jotka peittivät taivaalla noin 416 neliöastetta, mikä vastaa 2,000 XNUMX täysikuuta. Tiimi laski taivaalla S₈ arvo 0.78 — aikaisempien tutkimusten alkuperäisten tulosten mukainen ja pienempi kuin Planck-teleskoopin varhaisen universumin säteilyhavainnoista mitattu arvo. Subaru-tiimi on varovainen sanoessaan, että heidän mittauksensa "vihaavat" vain jännitystä, koska ne eivät ole aivan saavuttaneet sitä tilastollisen merkitsevyyden tasoa, johon tutkijat luottavat, vaikka he työskentelevätkin lisäämällä tietoihinsa vielä kolmen vuoden havaintoja.

”Jos tämä S₈ jännitys on todella totta, on jotain, jota emme vielä ymmärrä", sanoi Sugiyama, joka johti yhtä Subaru HSC -analyyseistä.

Kosmologit tutkivat nyt havaintojen yksityiskohtia selvittääkseen epävarmuuden lähteitä. Ensinnäkin Subaru-tiimi arvioi etäisyydet useimpiin galaksiinsa niiden yleisvärin perusteella, mikä saattaa johtaa epätarkkuuksiin. "Jos saisit [keskimääräiset] etäisyysarviot väärin, saat myös osan välittämistäsi kosmologisista parametreistasi väärin", sanoi tiimin jäsen. Rachel Mandelbaum Carnegie Mellonin yliopistosta.

Tämän lisäksi näitä mittauksia ei ole helppo tehdä, ja tulkinnassa on hienovaraisia ​​monimutkaisia ​​​​hetkiä. Ero galaksin vääntyneen ulkonäön ja sen todellisen muodon välillä - avain näkymättömän massan tunnistamiseen - on usein hyvin pieni, sanoi. Diana Scognamiglio NASAn Jet Propulsion Laboratorysta. Lisäksi maapallon ilmakehän hämärtyminen voi muuttaa hieman galaksin muotoa, mikä on yksi syy siihen, miksi Scognamiglio johtaa heikkolinssianalyysiä NASAn James Webb -avaruusteleskoopin avulla.

Lisää hämmennystä, tutkijat DES- ja KIDS-tiimien kanssa äskettäin uudelleen analysoineet mittansa yhdessä ja johdettu an S₈ arvo lähempänä Planckin tuloksia.

Joten toistaiseksi kuva on sekava. Ja jotkut kosmologit eivät ole vielä vakuuttuneita siitä, että erilaiset S₈ mittaukset ovat jännityksessä. "En usko, että siellä on selvää vihjettä suuresta katastrofaalisesta epäonnistumisesta", Hill sanoi. Mutta hän lisäsi, "ei ole epätodennäköistä, että jotain mielenkiintoista voisi tapahtua."

Missä halkeamia näkyy

Kymmenen vuotta sitten tiedemiehet näkivät ensimmäiset vihjeet vaikeuksista toisen kosmologisen parametrin mittauksissa. Mutta kesti vuosia kerätä tarpeeksi tietoa saadakseen useimmat kosmologit vakuuttuneiksi siitä, että he olivat tekemisissä täyden kriisin kanssa.

Lyhyesti sanottuna mittaukset siitä, kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee nykyään – tunnetaan nimellä Hubble-vakio – eivät vastaa arvoa, jonka saat, kun ekstrapoloidaan varhaisesta universumista. Arvoitus on tullut tunnetuksi Hubble-jännitteeksi.

Hubble-vakion laskemiseksi tähtitieteilijöiden on tiedettävä, kuinka kaukana asiat ovat. Läheisessä kosmoksessa tutkijat mittaavat etäisyyksiä käyttämällä tähtiä, joita kutsutaan kefeidimuuttujiksi ja joiden kirkkaus muuttuu ajoittain. On tunnettu suhde sen välillä, kuinka nopeasti yksi näistä tähdistä heilahtelee kirkkaimmasta heikoimpaan ja kuinka paljon energiaa se säteilee. Tämä 20-luvun alussa löydetty suhde antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden laskea tähden luontainen kirkkaus, ja vertaamalla sitä sen ulkonäköön, he voivat laskea sen etäisyyden.

Näiden muuttuvien tähtien avulla tiedemiehet voivat mitata etäisyydet galaksiin, jotka ovat jopa noin 100 miljoonan valovuoden päässä meistä. Mutta nähdäkseen hieman kauemmas ja ajassa taaksepäin, he käyttävät kirkkaampaa mailimerkkiä – tietyntyyppistä tähtien räjähdystä, jota kutsutaan tyypin Ia supernovaksi. Tähtitieteilijät voivat myös laskea näiden "vakiokynttilöiden" luontaisen kirkkauden, jonka avulla he voivat mitata etäisyyksiä miljardien valovuosien päässä oleviin galakseihin.

Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana nämä havainnot ovat auttaneet tähtitieteilijöitä määrittämään arvon läheisen maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle: noin 73 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden, mikä tarkoittaa, että kun katsot kauemmaksi, jokaista megaparsekia (tai 3.26 miljoonaa valovuotta) kohden. ) etäisyydeltä, avaruus lentää pois 73 kilometriä sekunnissa nopeammin.

Mutta tämä arvo on ristiriidassa sen kanssa, joka on johdettu toisesta hallitsijasta, joka on upotettu vauvauniversumiin.

Aivan alussa maailmankaikkeus oli paahtava plasma, perushiukkasten ja energian keitto. "Se oli kuuma sotku", sanoi Vivian Poulin-Détolle, kosmologi Montpellierin yliopistosta.

Sekunnin murto-osa kosmisessa historiassa, jokin tapahtuma, ehkä äärimmäisen kiihtyvyyden kausi, joka tunnetaan nimellä inflaatio, lähetti tärinöitä - paineaaltoja - hämärän plasman läpi.

Sitten, kun maailmankaikkeus jäähtyi, alkuaineplasmasumussa loukkuun jäänyt valo lopulta vapautui. Tuo valo - kosminen mikroaaltouunitausta tai CMB - paljastaa nuo varhaiset paineaallot, aivan kuten jäätyneen järven pinta pitää kiinni ajassa jäätyneiden aaltojen päällekkäisistä harjoista, Poulin-Détolle sanoi.

Kosmologit ovat mitanneet jäätyneiden paineaaltojen yleisimmän aallonpituuden ja käyttäneet sitä laskeakseen arvon Hubble-vakiolle 67.6 km / s / Mpc, jonka epävarmuus on alle 1 %.

Erikoisen ristiriitaiset arvot - noin 67 vs. 73 - ovat sytyttäneet tulisen keskustelun kosmologiassa, joka on edelleen ratkaisematta.

Tähtitieteilijät ovat siirtymässä itsenäisiin kosmisten mailien merkkeihin. Viimeisen kuuden vuoden aikana Wendy Freeman Chicagon yliopiston (joka on työskennellyt Hubble-vakion parissa neljännesvuosisadan ajan) on keskittynyt erääntyyppiseen vanhaan, punaiseen tähteen, joka tyypillisesti elää galaksien ulko-osissa. Siellä vähemmän päällekkäisiä kirkkaita tähtiä ja vähemmän pölyä voivat johtaa selkeämpiin mittauksiin. Näitä tähtiä käyttämällä Freedman ja hänen kollegansa ovat mitanneet laajenemisnopeudeksi noin 70 km/s/Mpc - "mikä on itse asiassa melko hyvässä sopusoinnussa kefeidien kanssa", hän sanoi. "Mutta se on myös melko hyvin sopusoinnussa mikroaaltouunin taustan kanssa."

Hän on nyt kääntynyt JWST:n tehokkaan infrapunasilmän puoleen lähestyäkseen ongelmaa. Hän mittaa kollegoidensa kanssa etäisyyksiä näihin jättiläisiin punaisiin tähtiin 11 läheisessä galaksissa ja samalla mittaa etäisyyksiä kefeideihin ja erääseen sykkivään hiilitähteen samoissa galakseissa. He odottavat julkaisevansa tulokset joskus tänä keväänä, mutta "tiedot näyttävät todella näyttäviltä", hän sanoi.

"Olen erittäin kiinnostunut näkemään, mitä he löytävät", sanoi Hill, joka pyrkii ymmärtämään maailmankaikkeuden malleja. Laventavatko nämä uudet havainnot kosmologian suosikkimallin halkeamia?

Uusi malli?

Kun havainnot rajoittavat edelleen näitä tärkeitä kosmologisia parametreja, tutkijat yrittävät sovittaa tiedot parhaisiin malleihinsa maailmankaikkeuden toiminnasta. Ehkä tarkemmat mittaukset ratkaisevat heidän ongelmansa, tai ehkä jännitteet ovat vain artefakteja jostakin arkipäiväisestä, kuten käytettävien instrumenttien omituisuuksista.

Tai ehkä mallit ovat vääriä, ja uusia ideoita - "uutta fysiikkaa" - tarvitaan.

"Joko emme ole olleet tarpeeksi fiksuja keksimään mallia, joka itse asiassa sopii kaikkeen", Hill sanoi, tai "pelissä voi itse asiassa olla useita uusia fysiikkaa."

Mitä ne mahtaa olla? Ehkä uusi perusvoimakenttä, Hill sanoi, tai pimeän aineen hiukkasten väliset vuorovaikutukset, joita emme vielä ymmärrä, tai uudet ainesosat, jotka eivät vielä ole osa maailmankaikkeuden kuvausta.

Jotkut uudet fysiikkamallit säätelevät pimeää energiaa lisäämällä kosmisen kiihtyvyyden aaltovoiman maailmankaikkeuden alkuvaiheessa, ennen kuin elektronit ja protonit kiihtyivät toisiinsa. "Jos laajenemisnopeutta voitaisiin jotenkin lisätä, vain vähän hetkeksi varhaisessa universumissa", sanoi Marc Kamionkowski, Johns Hopkinsin yliopiston kosmologi, "voit ratkaista Hubble-jännitteen."

Kamionkowski ja yksi hänen jatko-opiskelijoistaan ​​ehdottivat ideaa vuonna 2016, ja kaksi vuotta myöhemmin he hahmotteli joitain allekirjoituksia että korkearesoluutioisen kosmisen mikroaaltotaustateleskoopin pitäisi pystyä näkemään. Ja Atacama Cosmology Telescope, joka sijaitsee vuorella Chilessä, näki osan näistä signaaleista. Mutta sen jälkeen muut tutkijat ovat osoittaneet, että malli aiheuttaa ongelmia muiden kosmisten mittausten kanssa.

Sellainen hienosäädetty malli, jossa ylimääräinen pimeän energian tyyppi virtaa hetkeksi ja sitten häviää, on liian monimutkainen selittämään, mitä tapahtuu, sanoi. Dragan Huterer, teoreettinen kosmologi Michiganin yliopistosta. Ja muut ehdotetut ratkaisut Hubblen jännitteeseen sopivat havaintoihin vieläkin huonommin. Ne ovat "toivottomasti viritetty", hän sanoi, kuten aivan niin tarinoita, jotka ovat liian erityisiä ollakseen sopusoinnussa pitkään vallinneen ajatuksen kanssa, että yksinkertaisemmilla teorioilla on taipumus voittaa monimutkaisia ​​vastaan.

Ensi vuonna tulevat tiedot voivat auttaa. Ensinnäkin ovat Freedmanin tiimin tulokset, jotka tarkastelevat erilaisia ​​läheisen laajenemisnopeuden koettimia. Sitten huhtikuussa tutkijat paljastavat ensimmäiset tiedot tähän mennessä suurimmasta kosmologisesta taivaantutkimuksesta, Dark Energy Spectroscopic Instrumentista. Myöhemmin tänä vuonna Atacama Cosmology Telescope -tiimi - ja tutkijat, jotka tekevät toisen alkuperäisen taustakartan Etelänapateleskooppia käyttämällä - julkaisevat todennäköisesti yksityiskohtaiset tulokset mikroaaltotaustasta korkeammalla resoluutiolla. Havaintoja kaukaisemmasta horisontista tulevat Euroopan avaruusjärjestön Euclid-avaruusteleskoopilta, joka laukaistiin heinäkuussa, ja Vera C. Rubin Observatorysta, Chileen rakennettavasta koko taivaan kartoituskoneesta, joka on täysin toimintavalmis vuonna 2025.

Universumi saattaa olla 13.8 miljardia vuotta vanha, mutta pyrkimyksemme ymmärtää sitä – ja paikkamme siinä – on vielä lapsenkengissään. Kosmologiassa kaikki sopi yhteen vain 15 vuotta sitten, lyhyessä rauhallisuuden jaksossa, joka osoittautui kangastukseksi. Kymmenen vuotta sitten ilmaantuneet halkeamat ovat halkeaneet ja luoneet suurempia halkeamia kosmologian suosikkimalliin.

"Nyt", Di Valentino sanoi, "kaikki on muuttunut."

Toimittajan huomautus: Useat tässä artikkelissa mainitut tutkijat ovat saaneet rahoitusta Simonsin säätiö, joka myös rahoittaa tätä toimituksellisesti riippumatonta lehteä. Simons Foundation -säätiön rahoituspäätöksillä ei ole vaikutusta kattavuuteen. Lisätietoja ovat täältä.