Hvordan (nesten) ingenting kan løse kosmologiens største spørsmål | Quanta Magazine

Som en lys by midt i en karrig ørken, er vårt galaktiske nabolag omsluttet av et kosmisk tomrom - en enorm, nesten ufattelig tom romlomme. Nylig har himmelundersøkelser oppdaget flere tusen av disse ledige boblene. Nå har forskere funnet en måte å trekke informasjon ut av disse kosmiske tomrommene: Ved å telle hvor mange av dem som finnes i et romvolum, har forskere utviklet en ny måte å utforske to av de vanskeligste spørsmålene i kosmologi.

"Det er aller første gang vi har brukt tomme tall for å trekke ut kosmologisk informasjon," sa Alice Pisani, en kosmolog ved Princeton University og Flatiron Institute og en forfatter av en nytt forhåndstrykk som beskriver arbeidet. "Hvis vi vil flytte vitenskapens grenser, må vi gå utover det som allerede er gjort."

Forskere har lett etter nye verktøy delvis fordi de har noen store mysterier å løse. Den første, og mest forvirrende, er hastigheten som universet utvider seg med, en verdi kjent som Hubble konstant. I mer enn et tiår har forskere kjempet for å forene motstridende målinger av denne frekvensen, og noen har til og med kalt problemet for største krisen i kosmologi.

I tillegg har forskere motstridende målinger av klumpetheten til kosmisk materie — den gjennomsnittlige tettheten av storskala strukturer, mørk materie, galakser, gass og tomrom fordelt over hele universet som en funksjon av tid.

Vanligvis måler astronomer disse verdiene på to komplementære måter. Merkelig nok produserer disse to metodene forskjellige verdier for både Hubble-konstanten og den såkalte materieklyngestyrken.

I sin nye tilnærming bruker Pisani og hennes kolleger kosmiske tomrom for å estimere begge verdiene. Og deres tidlige resultater, som ser ut til å stemme mye mer overens med en av de tradisjonelle metodene enn den andre, bidrar nå med sin egen kompleksitet til en allerede fylt uenighet.

"Hubble-spenningen har vart i et tiår så langt fordi det er et vanskelig problem," sa Adam Riess, en astronom ved Johns Hopkins University som bruker supernovaer for å estimere Hubble-konstanten. "De åpenbare problemene har blitt sjekket og dataene har blitt bedre, så dilemmaet blir dypere."

Nå er håpet at det å studere nesten ingenting kan føre til noe stort.

Bygge bobler

Tomrom er områder i rommet som i gjennomsnitt er mindre tett enn universet. Deres grenser er definert av de enorme arkene og filamentene av galakser som er vevd i hele kosmos. Noen tomrom spenner over hundrevis av millioner lysår, og til sammen utgjør disse boblene minst 80 % av universets volum. Men i lang tid var det ingen som ga dem mye oppmerksomhet. "Jeg begynte min forskning i 2011 med rundt 200 tomrom," sa Pisani. "Men nå har vi omtrent 6,000."

Boblene har en tendens til å utvide seg fordi inni dem er det ikke mye sak å utøve en gravitasjonskraft innover. Tingene utenfor dem har en tendens til å holde seg unna. Og alle galakser som starter inne i et tomrom blir dratt utover av gravitasjonskraften til strukturene som definerer kanten til et tomrom. På grunn av dette skjer det i et tomrom "veldig lite," sa Pisani. "Det er ingen fusjoner, ingen komplisert astrofysikk. Dette gjør dem veldig enkle å ha med å gjøre.»

Men formen til hvert tomrom er forskjellig, noe som kan gjøre det vanskelig for forskere å identifisere dem. "Vi vil sørge for at tomrommene våre er robuste," sa Pisani. "Hvor tom må den være, og hvordan måler jeg den?"

Det viser seg at definisjonen av "ingenting" avhenger av hvilken type informasjon astronomer ønsker å trekke ut. Pisani og kollegene startet med et matematisk verktøy kalt et Voronoi-diagram, som identifiserer formene som utgjør en 3D-mosaikk. Disse diagrammene brukes vanligvis til å studere ting som bobler i skum og celler i biologisk vev.

I det nåværende arbeidet skreddersydde Pisani og hennes kolleger sine Voronoi-tesselasjoner for å identifisere rundt 6,000 tomrom i dataene fra et enormt galaktisk kartleggingsprosjekt kalt Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (SJEF).

"Tomrom er komplementære til katalogen over galakser," sa Benjamin Wandelt, en astrofysiker ved Sorbonne-universitetet i Paris som ikke var involvert i studien. "De er en ny måte å undersøke kosmisk struktur."

Da Pisani og kollegene hadde kartet over hulrom, satte de ut for å se hva det kunne avsløre om det ekspanderende universet.

Noe Fra Ingenting

Hvert kosmisk tomrom er et vindu på en stor kosmisk konflikt. På den ene siden er det mørk energi, den mystiske kraften som får universet vårt til å utvide seg stadig raskere. Mørk energi er tilstede selv i tomt rom, så det dominerer tomrommets fysikk. På den andre siden av konflikten er det tyngdekraften, som prøver å trekke tomrommet sammen. Og så legger materiens klumpete rynker til tomrommene.

Pisani og hennes kolleger, inkludert Sofia Contarini fra universitetet i Bologna, modellerte hvordan utvidelsen av universet ville påvirke antall tomrom i forskjellige størrelser. I modellen deres, som holdt en håndfull andre kosmologiske parametere konstante, ga en langsommere ekspansjonshastighet en høyere tetthet av mindre, mer krøllete tomrom. På den annen side, hvis ekspansjonen gikk raskere og stoffet ikke klumpet seg like lett, forventet de å finne mer store, glatte tomrom.

Gruppen sammenlignet deretter sine modellspådommer med observasjoner fra BOSS-undersøkelsen. Fra dette var de i stand til å estimere både klumpete og Hubble-konstanten.

Deretter sammenstilte de målingene sine med de to tradisjonelle måtene å måle disse verdiene på. Den første metoden bruker en type kosmisk eksplosjon kalt en Type Ia supernova. Den andre er avhengig av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB), strålingen som er igjen fra Big Bang.

Ugyldige data avslørte en Hubble-konstant som varierte med mindre enn 1 % fra CMBs estimat. Resultatet for klumpete var mer rotete, men det stemte også tettere med CMB enn med Type Ia supernovaer.

Forvirrende nok ligger tomrommene i BOSS-undersøkelsen nærmere i rom og tid til nyere Type Ia-supernovaer - noe som gjør det litt overraskende at tomromsmålingene er mer på linje med den primordiale CMB. Wandelt antydet imidlertid at resultatene kan avsløre en ny forståelse av universet.

"Det er en dyp innsikt som får håret mitt til å reise seg," sa han. Inne i hulrom ble det aldri dannet og utviklet strukturer, så hulrom "er tidskapsler fra det tidlige universet."

Med andre ord, hvis fysikken i det tidlige universet var forskjellig fra dagens fysikk, kan tomrommene ha bevart den.

Fraværets fremtid

Andre mener det er for tidlig å trekke noen konklusjoner fra de nye resultatene.

Selv med tusenvis av tomrom, er studiens feilstreker fortsatt for store til å si noe avgjørende. "Denne analysen er ekstremt godt utført," sa Ruth Durrer, en teoretisk fysiker ved Universitetet i Genève som ikke deltok i forskningen. Men, bemerket Durrer, resultatene har ikke nådd statistisk signifikans - ennå. "Hvis Alice ønsker å være i klubben med utrolig gode konstante Hubble-målinger, må hun komme til grensen på 1%, noe som er en stor utfordring," sa Durrer.

Pisani sa at hun anser arbeidet som et proof of concept. Det vil sannsynligvis ta et tiår til – og ved hjelp av fremtidige oppdrag som NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope og SPHERex Observatory – å samle nok tomme data til å være på nivå med de motstridende CMB- og Type Ia-supernovamålingene.

Durrer påpeker også at kanskje disse argumentene - forsøkene på å forene kosmiske spenninger - er mye mas om ingenting, og at de observasjonsmessige uenighetene kan peke på en realitet som forskere ikke bør prøve å slette.

"Supernova- og CMB-gruppene gjør målinger som er veldig, veldig forskjellige," sa hun. "Så det kan være ny fysikk som forklarer hvorfor vi ikke burde se det samme."

Redaktørens notat: Alice Pisani mottar midler fra Simons Foundation, som også finansierer dette redaksjonelt uavhengige magasinet. Simons Foundation-finansieringsbeslutninger har ingen innflytelse på dekningen vår. Flere detaljer er tilgjengelig her.