우주론의 가장 큰 질문을 (거의) 아무것도 해결할 수 없는 방법 | 콴타 매거진

황량한 사막 한가운데 있는 밝은 도시처럼 우리의 은하계 이웃은 우주 공허로 둘러싸여 있습니다. 거대하고 거의 헤아릴 수 없을 정도로 빈 공간입니다. 최근 하늘 조사에서 이러한 빈 거품이 수천 개 더 발견되었습니다. 이제 연구원들은 이러한 우주 보이드에서 정보를 추출하는 방법을 찾았습니다. 공간에 얼마나 많은 보이드가 존재하는지 세어 과학자들은 우주론에서 가장 까다로운 두 가지 질문을 탐구하는 새로운 방법을 고안했습니다.

“우주 정보를 추출하기 위해 보이드 넘버를 사용한 것은 이번이 처음입니다.”라고 말했습니다. 앨리스 피사니, Princeton University 및 Flatiron Institute의 우주론자이자 새로운 프리프린트 작품을 설명합니다. "과학의 한계를 뛰어넘고 싶다면 이미 이루어진 것 이상으로 나아가야 합니다."

연구원들은 해결해야 할 몇 가지 큰 미스터리가 있기 때문에 부분적으로 새로운 도구를 찾고 있습니다. 첫 번째이자 가장 당혹스러운 것은 우주가 팽창하는 속도로, 허블 상수. XNUMX년 이상 동안 과학자들은 이 속도에 대한 상충되는 측정치를 조정하기 위해 고군분투했으며 일부는 이 문제를 우주론의 최대 위기.

또한 연구자들은 상충되는 측정 우주 물질의 덩어리—시간의 함수로서 우주 전체에 분포된 대규모 구조, 암흑 물질, 은하, 가스 및 보이드의 평균 밀도.

일반적으로 천문학자들은 두 가지 보완적인 방법으로 이러한 값을 측정합니다. 흥미롭게도 이 두 가지 방법은 허블 상수와 소위 물질 클러스터링 강도에 대해 서로 다른 값을 생성합니다.

새로운 접근 방식에서 Pisani와 그녀의 동료들은 두 값을 모두 추정하기 위해 우주 보이드를 사용합니다. 그리고 다른 것보다 전통적인 방법 중 하나와 훨씬 더 밀접하게 일치하는 것으로 보이는 그들의 초기 결과는 이제 이미 가득 찬 불일치에 자체 복잡성을 기여하고 있습니다.

"허블 긴장은 어려운 문제이기 때문에 지금까지 XNUMX년 동안 지속되었습니다."라고 말했습니다. 아담 리 에스, 허블 상수를 추정하기 위해 초신성을 사용하는 존스 홉킨스 대학의 천문학자. “뻔한 문제가 확인되고 데이터가 개선되었으므로 딜레마가 깊어집니다.”

이제 거의 아무 것도 공부하지 않는 것이 큰 무언가로 이어질 수 있다는 희망이 있습니다.

거품 만들기

보이드는 평균적으로 우주보다 밀도가 낮은 공간 영역입니다. 그들의 경계는 우주 전체에 걸쳐 짜여진 은하의 거대한 시트와 필라멘트에 의해 정의됩니다. 일부 공극은 수억 광년에 걸쳐 있으며 이러한 거품을 합치면 우주 부피의 최소 80%를 구성합니다. 하지만 오랫동안 아무도 그들에게 많은 관심을 기울이지 않았습니다. "저는 2011년에 약 200개의 공극으로 연구를 시작했습니다."라고 Pisani는 말했습니다. "하지만 지금은 대략 6,000개 정도 있습니다."

기포는 팽창하는 경향이 있는데, 그 이유는 내부에 내부 중력을 가할 물질이 많지 않기 때문입니다. 그들 밖에 있는 것들은 멀리 떨어져 있는 경향이 있습니다. 그리고 보이드 내부에서 시작하는 모든 은하는 보이드의 가장자리를 정의하는 구조의 중력에 의해 바깥쪽으로 당겨집니다. 이 때문에 공백 상태에서는 "거의 발생하지 않는다"고 Pisani는 말했습니다. “합병도, 복잡한 천체물리학도 없습니다. 이것은 그들을 다루기가 매우 쉽게 만듭니다.”

그러나 각 공극의 모양이 다르기 때문에 과학자들이 이를 식별하기가 까다로울 수 있습니다. Pisani는 "우리는 공극이 견고하다는 것을 확인하고 싶습니다."라고 말했습니다. "얼마나 비어 있어야 하며 어떻게 측정해야 합니까?"

"무"의 정의는 천문학자들이 추출하고자 하는 정보의 유형에 달려 있음이 밝혀졌습니다. Pisani와 동료들은 3D 모자이크를 구성하는 모양을 식별하는 Voronoi 다이어그램이라는 수학적 도구로 시작했습니다. 이 다이어그램은 일반적으로 거품의 거품과 생물학적 조직의 세포와 같은 것을 연구하는 데 사용됩니다.

현재 작업에서 Pisani와 그녀의 동료들은 보로노이 테셀레이션을 조정하여 거대한 은하 매핑 프로젝트의 데이터에서 약 6,000개의 빈 공간을 식별했습니다. 바리온 진동 분광 조사 (사장).

"공허는 은하 목록을 보완합니다."라고 말했습니다. 벤자민 반델트, 연구에 참여하지 않은 파리 소르본 대학교의 천체물리학자. "그들은 우주 구조를 조사하는 새로운 방법입니다."

Pisani와 동료들은 보이드 지도를 가지고 팽창하는 우주에 대해 무엇을 밝힐 수 있는지 알아보기 시작했습니다.

무에서 온 것

모든 우주 공허는 거대한 우주적 갈등을 보여주는 창입니다. 한쪽에는 우주를 더욱 빠르게 팽창시키는 신비한 힘인 암흑 에너지가 있습니다. 암흑 에너지는 빈 공간에도 존재하므로 공허의 물리학을 지배합니다. 갈등의 반대편에는 공허함을 함께 끌어당기려는 중력이 있습니다. 그리고 물질의 뭉침은 빈 공간에 주름을 더합니다.

Pisani와 그녀의 동료들, 소피아 콘타리니 볼로냐 대학의 연구진은 우주의 팽창이 크기가 다른 공극의 수에 어떤 영향을 미치는지 모델링했습니다. 소수의 다른 우주적 매개변수를 일정하게 유지한 그들의 모델에서 느린 팽창률은 더 작고 더 구겨진 보이드의 더 높은 밀도를 생성했습니다. 반면에 팽창이 더 빠르고 물질이 쉽게 덩어리지지 않으면 더 많은 것을 찾을 것으로 기대했습니다. 크고 매끄러운 보이드.

그런 다음 그룹은 모델 예측을 BOSS 설문 조사의 관찰과 비교했습니다. 이것으로부터 그들은 덩어리와 허블 상수를 모두 추정할 수 있었습니다.

그런 다음 그들은 이러한 값을 측정하는 두 가지 전통적인 방법과 측정값을 병치했습니다. 첫 번째 방법은 Type Ia 초신성이라고 하는 일종의 우주 폭발을 사용합니다. 두 번째는 우주 마이크로파 배경(CMB), 즉 빅뱅에서 남은 방사선에 의존합니다.

보이드 데이터는 CMB의 추정치에서 1% 미만으로 변동된 허블 상수를 나타냈습니다. 덩어리에 대한 결과는 더 혼란스러웠지만 Type Ia 초신성보다 CMB와 더 밀접하게 일치했습니다.

당황스럽게도 BOSS 조사의 공극은 시공간적으로 보다 최근의 Ia형 초신성에 더 가깝습니다. 공극 측정이 원시 CMB와 더 밀접하게 일치한다는 것은 약간 놀라운 일입니다. 그러나 Wandelt는 그 결과가 우주에 대한 새로운 이해를 드러낼 수 있다고 제안했습니다.

그는 “제 머리를 꼿꼿하게 세우는 깊은 통찰이 하나 있다”고 말했다. 보이드 내부의 구조는 결코 형성되거나 진화하지 않았으므로 보이드는 "초기 우주의 타임캡슐"입니다.

즉, 초기 우주의 물리학이 오늘날의 물리학과 달랐다면 보이드가 그것을 보존했을 수 있습니다.

부재의 미래

다른 사람들은 새로운 결과에서 결론을 내리기에는 너무 이르다고 생각합니다.

수천 개의 공극이 있더라도 연구의 오차 막대는 여전히 너무 커서 결정적인 것을 말할 수 없습니다. "이 분석은 매우 잘 수행되었습니다."라고 말했습니다. 루스 뒤러, 연구에 참여하지 않은 제네바 대학의 이론 물리학자. 그러나 Durrer는 그 결과가 아직 통계적 의미에 도달하지 못했다고 지적했습니다. "Alice가 놀라울 정도로 뛰어난 Hubble 상수 측정 클럽에 속하고 싶다면 그녀는 1% 한계에 도달해야 합니다. 이는 엄청난 도전입니다."라고 Durrer는 말했습니다.

Pisani는 이 작업을 개념 증명으로 간주한다고 말했습니다. 충돌하는 CMB 및 유형 Ia 초신성 측정과 동등할 수 있는 충분한 공간 데이터를 축적하려면 NASA의 Nancy Grace Roman Space Telescope 및 SPHEREx Observatory와 같은 미래 임무의 도움을 받아 앞으로 XNUMX년이 더 걸릴 것입니다.

Durrer는 또한 우주적 긴장을 조정하려는 시도와 같은 이러한 주장은 모두 아무것도 아닌 것에 대한 많은 소동일 수 있으며 관찰적 불일치는 과학자들이 지우려고 해서는 안 되는 현실을 지적할 수 있다고 지적합니다.

"초신성과 CMB 그룹은 매우 다른 측정을 수행하고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다. "따라서 우리가 같은 것을 보지 않아야 하는 이유를 설명하는 새로운 물리학이 있을 수 있습니다."

편집자 주: Alice Pisani는 시몬스 재단, 또한이 편집 독립 잡지에 자금을 지원합니다. Simons Foundation 기금 결정은 우리의 보장에 영향을 미치지 않습니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하십시오..