A kozmikus számok ütköztetése megkérdőjelezi az Univerzum legjobb elméletét | Quanta Magazin

A 2000-es évek elején úgy tűnt, hogy a kozmológusok megfejtették a legnagyobb és legösszetettebb rejtvényt: hogyan működik az univerzum.

„Volt ez a csodálatos pillanat, amikor hirtelen a kozmológia minden darabja összepattant” – mondta. J. Colin Hill, a Columbia Egyetem elméleti kozmológusa.

Az univerzum tanulmányozásának minden módja – galaxisok és nagyobb szerkezeteik feltérképezése, katasztrofális csillagrobbanások, úgynevezett szupernóvák elfogása, változó csillagok távolságának kiszámítása, a korai univerzumból származó maradék kozmikus fény mérése – olyan történeteket mesélt el, amelyek „úgy tűnik, átfedésben vannak” – mondta Hill.

A történeteket összetartó ragasztót néhány évvel korábban, 1998-ban fedezték fel: a sötét energiát, egy rejtélyes erőt, amely ahelyett, hogy összeragasztaná a kozmoszt, valahogy egyre gyorsabban terjeszkedik, ahelyett, hogy az idő múlásával lassulna. Amikor a tudósok ezt a kozmikus valamit belefoglalták az univerzum modelljeikbe, az elméletek és a megfigyelések összefonódtak. Megalkották a kozmológia standard modelljét, az úgynevezett Lambda-CDM-et, amelyben a sötét energia az univerzum közel 70%-át teszi ki, míg egy másik titokzatos sötét entitás – egy olyan láthatatlan tömeg, amely úgy tűnik, csak a normál anyaggal lép kölcsönhatásba. a gravitáció révén – körülbelül 25%-ot tesz ki. A fennmaradó 5% minden, amit láthatunk: a csillagok, bolygók és galaxisok, amelyeket a csillagászok évezredek óta tanulmányoztak.

De a nyugalomnak ez a pillanata csak egy rövid pihenő volt a küzdelmek között. Ahogy a csillagászok pontosabb megfigyeléseket végeztek az univerzumról a kozmikus idő lefutása során, repedések kezdtek megjelenni a standard modellben. A problémák első jelei a mérésekből származtak változó csillagok és a szupernóvák maroknyi közeli galaxisban – megfigyelések, amelyek a maradék kozmikus izzással összevetve azt sugallják, hogy az univerzumunk más szabályok szerint működik, mint gondoltuk, és hogy egy döntő fontosságú kozmológiai paraméter, amely meghatározza, hogy az univerzum milyen gyorsan repül szét, megváltozik, amikor Ön mérje meg különböző mércékkel.

A kozmológusoknak volt egy problémájuk – amit feszültségnek neveztek, vagy drámaibb pillanataikban válság.

Ezek az ellentmondásos mérések csak az első repedések megjelenése óta eltelt évtizedben váltak egyértelműbbé. És ez az eltérés nem az egyetlen kihívás a kozmológia standard modelljével szemben. A galaxisok megfigyelései arra utalnak, hogy az a mód, ahogy kozmikus struktúrák csomósodtak össze idővel eltérhet attól a legjobb tudásunktól, hogy a mai univerzumnak miként kellett volna a korai kozmoszba ágyazott magokból nőnie. És még ennél is finomabb eltérések származnak az univerzum legkorábbi fényének részletes tanulmányozásából.

Vannak más következetlenségek is. „Sokkal több kisebb probléma van másutt” – mondta Eleonora Di Valentino, elméleti kozmológus a Sheffieldi Egyetemen. „Ezért elgondolkodtató. Mert nem csak ezek a nagy problémák.”

E feszültségek enyhítésére a kozmológusok két egymást kiegészítő megközelítést alkalmaznak. Először is, továbbra is pontosabb megfigyeléseket végeznek a kozmoszról, abban a reményben, hogy a jobb adatok nyomokat adnak a továbblépéshez. Ezen túlmenően keresik a módját, hogy finoman módosítsák a standard modellt, hogy alkalmazkodjanak a váratlan eredményekhez. De ezek a megoldások gyakran mesterkéltek, és ha megoldanak egy problémát, gyakran súlyosbítanak másokat.

„A jelenlegi helyzet nagy káosznak tűnik” – mondta Hill. – Nem tudom, mit kezdjek vele.

Elvetemült fény

Univerzumunk jellemzésére a tudósok egy maroknyi számot használnak, amelyeket a kozmológusok paramétereknek neveznek. Azok a fizikai entitások, amelyekre ezek az értékek vonatkoznak, mind egy óriási kozmikus gép fogaskerekei, és minden bit a többihez kapcsolódik.

Az egyik paraméter arra vonatkozik, hogy a tömeg milyen erősen csomósodik össze. Ez viszont elárul valamit a sötét energia működéséről, mivel gyorsuló kifelé irányuló lökése ütközik a kozmikus tömeg gravitációs vonzásával. A csomósodás számszerűsítésére a tudósok az úgynevezett változót használják S₈. Ha az érték nulla, akkor az univerzumnak nincs változása és szerkezete – magyarázta Sunao Sugiyama, a Pennsylvaniai Egyetem megfigyelő kozmológusa. Olyan, mint egy lapos, jellegtelen préri, ahol még egy hangyaboly sem törné meg a tájat. De ha S₈ közelebb van az 1-hez, az univerzum olyan, mint egy hatalmas, szaggatott hegylánc, hatalmas, sűrű anyagcsomókkal, amelyeket a semmi völgyei választanak el. A Planck űrszonda által a nagyon korai univerzumban végzett megfigyelések – ahol a szerkezet első magvai megragadtak – értéket találtak. 0.83.

De a közelmúlt kozmikus történelmének megfigyelései nem teljesen egyeznek.

A mai univerzum rögösségét a csecsemő kozmosz méréseivel összehasonlítva a kutatók azt vizsgálják, hogyan oszlik el az anyag az égbolt nagy részein.

A látható galaxisok számbavétele egy dolog. De a láthatatlan hálózat feltérképezése, amelyen ezek a galaxisok fekszenek, egy másik dolog. Ennek érdekében a kozmológusok apró torzulásokat vizsgálnak a galaxisok fényében, mivel a fény útja, amint átszövi a kozmoszt, meghajlik, ahogy a fényt a láthatatlan anyag gravitációs tömege eltéríti.

Ezen torzulások (gyenge gravitációs lencsékként ismert) tanulmányozásával a kutatók nyomon követhetik a sötét anyag eloszlását a fény útjának mentén. Azt is meg tudják becsülni, hol vannak a galaxisok. Mindkét információs bittel a kezükben a csillagászok 3D-s térképeket készítenek az univerzum látható és láthatatlan tömegéről, amely lehetővé teszi számukra, hogy mérjék, hogyan változik és növekszik a kozmikus szerkezetű táj az idő múlásával.

Az elmúlt néhány évben három gyenge lencsés felmérés térképezte fel az égbolt nagy foltjait: a Dark Energy Survey (DES), amely egy távcsövet használ a chilei Atacama sivatagban; a Kilo-Degree Survey (KIDS), szintén Chilében; legutóbb pedig a Subaru Telescope Hawaii-on található Hyper Suprime-Cam (HSC) ötéves felmérése.

Néhány évvel ezelőtt a DES és KIDS felmérések készültek S₈ alacsonyabb értékek, mint Plancké – kisebb hegyláncokat és alacsonyabb csúcsokat jelent, mint amit az őskozmikus leves felállított. De ezek csak kínzó utalások voltak a kozmikus struktúrák növekedésének és konglomerátumának megértésében a hibákra. A kozmológusoknak több adatra volt szükségük, és izgatottan várták a Subaru HSC eredményeit, amelyeket publikáltak öt dolgozatból álló sorozatban decemberben.

A Subaru HSC csapata több tízmillió galaxist vizsgált meg, amelyek körülbelül 416 négyzetfoknyi területet fednek le az égbolton, ami 2,000 teliholdnak felel meg. Az égboltjukon a csapat kiszámított egy S₈ 0.78-as érték – összhangban a korábbi felmérések kezdeti eredményeivel, és kisebb, mint a Planck-teleszkóp által a korai univerzum sugárzására vonatkozó megfigyelésekből mért érték. A Subaru csapata óvatosan állítja, hogy méréseik csak „sugáznak” egy feszültségre, mert még nem értek el egészen a statisztikai szignifikancia szintjét, amelyre a tudósok támaszkodnak, bár azon dolgoznak, hogy további három év megfigyelésekkel egészítsék ki adataikat.

"Ha ez S₈ A feszültség valóban igaz, van valami, amit még nem értünk” – mondta Sugiyama, a Subaru HSC egyik elemzésének vezetője.

A kozmológusok most a megfigyelések részleteit kutatják, hogy kiderítsék a bizonytalanság forrásait. Kezdetben a Subaru csapata a legtöbb galaxistól való távolságot az általános színük alapján becsülte meg, ami pontatlanságokhoz vezethet. "Ha rosszul becsüli meg az [átlagos] távolságot, akkor bizonyos kozmológiai paramétereit is rosszul kapja meg" - mondta a csapat tagja. Rachel Mandelbaum a Carnegie Mellon Egyetemen.

Ráadásul ezeket a méréseket nem könnyű elvégezni, és az értelmezésük bonyolult. És a különbség a galaxis elvetemült megjelenése és tényleges alakja között – ami a láthatatlan tömeg azonosításának kulcsa – gyakran nagyon kicsi. Diana Scognamiglio a NASA Sugárhajtómű Laboratóriumában. Ráadásul a Föld légkörének elmosódása kissé megváltoztathatja a galaxis alakját, és ez az egyik oka annak, hogy Scognamiglio a NASA James Webb űrteleszkópjával végzett gyenge lencsés elemzést vezet.

További zavart okozva a tudósok a DES és KIDS csapattal nemrégiben újraelemezték a méréseiket együtt és származtatott egy S₈ érték közelebb áll a Planck-eredményekhez.

Szóval egyelőre zavaros a kép. És néhány kozmológus még nincs meggyőződve arról, hogy a különféle S₈ a mérések feszültségben vannak. „Szerintem nincs nyilvánvaló jele jelentős katasztrofális kudarcnak” – mondta Hill. De hozzátette: "nem valószínű, hogy valami érdekes történhet."

Ahol a repedések nyilvánvalóak

Egy tucat évvel ezelőtt a tudósok egy másik kozmológiai paraméter mérésével látták a baj első jeleit. De évekbe telt, mire elegendő adatot halmoztak fel ahhoz, hogy a legtöbb kozmológust meggyőzzék arról, hogy egy teljes válsággal kell megküzdeniük.

Röviden, az univerzum mai tágulási sebességére vonatkozó mérések – az úgynevezett Hubble-állandó – nem egyeznek meg azzal az értékkel, amelyet a korai univerzumból extrapolálva kapunk. A rejtvény Hubble-feszültség néven vált ismertté.

A Hubble-állandó kiszámításához a csillagászoknak tudniuk kell, milyen messze vannak a dolgok. A közeli kozmoszban a tudósok távolságokat mérnek a cefeida változóknak nevezett csillagok segítségével, amelyek fényereje időszakosan változik. Jól ismert összefüggés van aközött, hogy az egyik ilyen csillag milyen gyorsan változik a legfényesebbről a leghalványabbra, és mennyi energiát sugároz. Ez az összefüggés, amelyet a 20. század elején fedeztek fel, lehetővé teszi a csillagászok számára, hogy kiszámítsák a csillag belső fényességét, és összehasonlítva azt a fényes megjelenésével, kiszámíthatják a távolságát.

Ezekkel a változócsillagokkal a tudósok meg tudják mérni a tőlünk körülbelül 100 millió fényévre lévő galaxisok távolságát. De ahhoz, hogy egy kicsit messzebbre lássanak, és egy kicsit visszafelé az időben, egy világosabb mérföldjelzőt használnak - egy speciális típusú csillagrobbanást, amelyet Ia típusú szupernóvának neveznek. A csillagászok ezen „standard gyertyák” belső fényességét is kiszámíthatják, ami lehetővé teszi számukra, hogy távolságot mérjenek a több milliárd fényévnyire lévő galaxisoktól.

Az elmúlt két évtized során ezek a megfigyelések segítettek a csillagászoknak meghatározni, hogy milyen gyorsan tágul a közeli univerzum: nagyjából 73 kilométer/másodperc/megaparszek, ami azt jelenti, hogy ha távolabb nézünk, minden megaparszek (vagyis 3.26 millió fényév) ) távolságra, az űr másodpercenként 73 kilométerrel gyorsabban repül el.

De ez az érték ütközik a csecsemő világegyetembe ágyazott másik uralkodótól származó értékkel.

Kezdetben az univerzum plazmát perzselt, az alapvető részecskék és energia levesét. – Forró rendetlenség volt – mondta Vivian Poulin-Détolle, a Montpellier Egyetem kozmológusa.

A másodperc töredéke a kozmikus történelemben, néhány esemény, talán az inflációnak nevezett szélsőséges gyorsulás időszaka, lökéseket – nyomáshullámokat – indított el a zavaros plazmán.

Aztán ahogy az univerzum lehűlt, az elemi plazmaködben rekedt fény végre kiszabadult. Ez a fény – a kozmikus mikrohullámú háttér, vagy CMB – felfedi azokat a korai nyomáshullámokat, ahogyan a befagyott tó felszíne is az időben befagyott hullámok egymást átfedő csúcsaihoz tartja – mondta Poulin-Détolle.

A kozmológusok megmérték a fagyott nyomáshullámok leggyakoribb hullámhosszát, és ennek alapján számították ki a Hubble-állandó értékét. 67.6 km/s/Mpc, 1%-nál kisebb bizonytalansággal.

A sajátosan ellentmondó értékek – nagyjából 67 versus 73 – parázs vitát robbantottak ki a kozmológiában, amely máig megoldatlan.

A csillagászok a független kozmikus mérföldjelzők felé fordulnak. Az elmúlt hat évben Wendy Freeman A Chicagói Egyetem munkatársa (aki negyedszázadon keresztül dolgozott a Hubble-állandón) egy olyan régi, vörös csillagra összpontosított, amely jellemzően a galaxisok külső részein él. Odakint kevesebb átfedő fényes csillag és kevesebb por tisztább méréseket eredményezhet. Ezekkel a csillagokkal Freedman és kollégái körülbelül 70 km/s/Mpc tágulási sebességet mértek – „ami valójában nagyon jó összhangban van a cefeidákkal” – mondta. "De ez is nagyon jól illeszkedik a mikrohullámú háttérrel."

Most a JWST erős infravörös szeméhez fordult, hogy megközelítse a problémát. Kollégáival 11 közeli galaxisban méri meg ezeknek az óriási vörös csillagoknak a távolságát, miközben egyidejűleg méri a távolságot a cefeidáktól és egy pulzáló széncsillagtól ugyanabban a galaxisban. Arra számítanak, hogy valamikor tavasszal publikálják az eredményeket, de már most, mondta, „az adatok nagyon látványosnak tűnnek”.

"Nagyon érdekel, hogy mit találnak" - mondta Hill, aki az univerzum modelljeinek megértésében dolgozik. Vajon ezek az új megfigyelések kiszélesítik a kozmológia kedvenc modelljének repedéseit?

Új modell?

Mivel a megfigyelések továbbra is korlátozzák ezeket a kulcsfontosságú kozmológiai paramétereket, a tudósok megpróbálják az adatokat az univerzum működésének legjobb modelljeihez igazítani. Talán a pontosabb mérések megoldják a problémáikat, vagy a feszültségek csak valami hétköznapi ereklye, mint a használt műszerek furcsaságai.

Vagy lehet, hogy a modellek rosszak, és új ötletekre – „új fizikára” – lesz szükség.

„Vagy nem voltunk elég okosak ahhoz, hogy olyan modellt hozzunk létre, amely valójában mindenhez passzol” – mondta Hill, vagy „valójában több új fizika is jelen lehet.”

Mik lehetnek? Talán egy új alapvető erőtér, mondta Hill, vagy a sötét anyag részecskéi közötti kölcsönhatások, amelyeket még nem értünk, vagy olyan új összetevők, amelyek még nem részei az univerzum leírásának.

Egyes új fizikai modellek a sötét energiát módosítják, kozmikus gyorsulást hoznak létre az univerzum korai pillanataiban, mielőtt az elektronok és a protonok egymásra fénylenek. "Ha a tágulási sebességet valahogyan meg lehetne növelni, csak egy kicsit egy kis időre a korai univerzumban" - mondta Marc Kamionkowski, a Johns Hopkins Egyetem kozmológusa szerint „megoldhatja a Hubble-feszültséget”.

Kamionkowski és egyik végzős diákja 2016-ban vetette fel az ötletet, két évvel később pedig ők felvázolt néhány aláírást hogy egy nagy felbontású kozmikus mikrohullámú háttérteleszkópnak látnia kell. És az Atacama kozmológiai teleszkóp, amely egy chilei hegyen ült, látott néhány ilyen jelet. De azóta más tudósok kimutatták, hogy a modell problémákat okoz más kozmikus mérésekkel.

Ez a fajta finomhangolt modell, amelyben egy további típusú sötét energia hullámzik egy pillanatra, majd elhalványul, túl bonyolult ahhoz, hogy megmagyarázza, mi történik. Dragan Huterer, a Michigani Egyetem elméleti kozmológusa. A Hubble-feszültségre javasolt egyéb megoldások pedig még gyengébbek a megfigyelésekhez. „Reménytelenül hangoltak” – mondta –, mint az olyan történetek, amelyek túlságosan specifikusak ahhoz, hogy összhangban legyenek azzal a régóta fennálló elképzeléssel, miszerint az egyszerűbb elméletek győznek a bonyolultakkal szemben.

A következő évben érkező adatok segíthetnek. Elsőként Freedman csapatának eredményei lesznek, amelyek a közeli terjeszkedési ütem különböző szondáit vizsgálják. Áprilisban aztán a kutatók nyilvánosságra hozzák az eddigi legnagyobb kozmológiai égbolt-felmérés, a Dark Energy Spectroscopic Instrument első adatait. Az év későbbi szakaszában az Atacama Cosmology Telescope csapata – és a kutatók, akik a Déli-sark-teleszkóppal egy másik ősi háttértérképet készítenek – valószínűleg nyilvánosságra hozzák a mikrohullámú háttérrel kapcsolatos részletes eredményeiket nagyobb felbontásban. A távolabbi horizonton az Európai Űrügynökség júliusban felbocsátott Euclid nevű űrteleszkópja és a Chilében épülő Vera C. Rubin Obszervatórium, a teljes égbolt-térképező gép 2025-ben fog teljes mértékben üzembe helyezni a megfigyeléseket.

Lehet, hogy az univerzum 13.8 milliárd éves, de az a törekvésünk, hogy megértsük – és a benne elfoglalt helyünk – még gyerekcipőben jár. A kozmológiában minden passzolt egymáshoz mindössze 15 évvel ezelőtt, a nyugalom rövid időszakában, amely délibábnak bizonyult. Az egy évtizeddel ezelőtt megjelent repedések szétnyíltak, és nagyobb hasadékokat hoztak létre a kozmológia kedvenc modelljében.

– Most – mondta Di Valentino –, minden megváltozott.

A szerkesztő megjegyzése: A cikkben említett több tudós is kapott támogatást a Simons Alapítvány, amely ezt a szerkesztőileg független folyóiratot is finanszírozza. A Simons Foundation finanszírozási döntései nincsenek hatással a fedezetünkre. További részletek elérhető itt.