Zderzające się liczby kosmiczne podważają naszą najlepszą teorię wszechświata | Magazyn Quanta

Na początku XXI wieku wydawało się, że kosmolodzy rozwiązali największą i najbardziej złożoną zagadkę ze wszystkich: jak działa wszechświat.

„Nastąpił ten niesamowity moment, w którym nagle wszystkie elementy kosmologii połączyły się w całość” – powiedział J. Colina Hilla, kosmolog teoretyczny z Uniwersytetu Columbia.

Wszystkie sposoby badania Wszechświata – mapowanie galaktyk i ich większych struktur, wychwytywanie katastrofalnych eksplozji gwiazd zwanych supernowymi, obliczanie odległości do gwiazd zmiennych, mierzenie pozostałości kosmicznego blasku z wczesnego Wszechświata – opowiadały historie, które „wydawały się na siebie nakładać” – powiedział Hill.

Spoiwo spajające te historie odkryto kilka lat wcześniej, w 1998 roku: ciemna energia, tajemnicza siła, która zamiast sklejać kosmos, w jakiś sposób powoduje jego coraz szybsze rozszerzanie się, zamiast zwalniać w czasie. Kiedy naukowcy włączyli to kosmiczne coś do swoich modeli wszechświata, teorie i obserwacje zazębiły się. Opracowali projekt znany obecnie jako standardowy model kosmologii, zwany Lambda-CDM, w którym ciemna energia stanowi prawie 70% wszechświata, podczas gdy inna tajemnicza ciemna istota — rodzaj niewidzialnej masy, która wydaje się oddziaływać wyłącznie z normalną materią przez grawitację — stanowi około 25%. Pozostałe 5% to wszystko, co możemy zobaczyć: gwiazdy, planety i galaktyki, które astronomowie badają od tysiącleci.

Ale ta chwila spokoju była tylko krótkim wytchnieniem pomiędzy momentami walki. W miarę jak astronomowie dokonywali bardziej precyzyjnych obserwacji Wszechświata na przestrzeni czasu kosmicznego, w modelu standardowym zaczęły pojawiać się pęknięcia. Niektóre z pierwszych oznak problemów pojawiły się podczas pomiarów gwiazdy zmienne i supernowe w kilku pobliskich galaktykach — obserwacje, które w porównaniu z resztkowym blaskiem kosmicznym sugerowały, że nasz Wszechświat działa według innych zasad, niż sądziliśmy, oraz że kluczowy parametr kosmologiczny określający, jak szybko Wszechświat się oddala, zmienia się, gdy mierzyć to różnymi miarami.

Kosmolodzy mieli problem — coś, co nazywali napięciem lub, w bardziej dramatycznych momentach, a kryzys.

Te rozbieżne pomiary stały się wyraźniejsze dopiero w ciągu mniej więcej dziesięciu lat od pojawienia się pierwszych pęknięć. Ta rozbieżność nie jest jedynym wyzwaniem dla standardowego modelu kosmologii. Obserwacje galaktyk sugerują, że sposób w jaki kosmiczne struktury zlepiły się ze sobą z biegiem czasu może różnić się od naszego najlepszego zrozumienia tego, jak dzisiejszy wszechświat powinien wyrosnąć z nasion osadzonych we wczesnym kosmosie. Jeszcze bardziej subtelne rozbieżności wynikają ze szczegółowych badań najwcześniejszego światła Wszechświata.

Mnóstwo innych niespójności. „W innych miejscach jest o wiele więcej mniejszych problemów” – stwierdził Eleonory Di Valentino, kosmolog teoretyczny z Uniwersytetu w Sheffield. „Dlatego jest to zagadkowe. Bo nie chodzi tylko o te duże problemy.

Aby złagodzić te napięcia, kosmolodzy przyjmują dwa uzupełniające się podejścia. Po pierwsze, kontynuują bardziej precyzyjne obserwacje kosmosu w nadziei, że lepsze dane ujawnią wskazówki dotyczące dalszego postępowania. Ponadto znajdują sposoby na subtelne ulepszenie standardowego modelu, aby uwzględnić nieoczekiwane wyniki. Jednak rozwiązania te są często wymyślone i jeśli rozwiązują jeden problem, często pogarszają inne.

„Obecna sytuacja wygląda na wielki bałagan” – powiedział Hill. – Nie wiem, co o tym sądzić.

Wypaczone Światło

Aby scharakteryzować nasz wszechświat, naukowcy używają kilku liczb, które kosmolodzy nazywają parametrami. Jednostki fizyczne, do których odnoszą się te wartości, to wszystkie tryby gigantycznej kosmicznej maszyny, z których każdy jest połączony z innymi.

Jeden z tych parametrów dotyczy tego, jak mocno masa się zlepia. To z kolei mówi nam coś o tym, jak działa ciemna energia, gdy jej przyspieszające wypychanie na zewnątrz koliduje z przyciąganiem grawitacyjnym kosmicznej masy. Aby określić ilościowo zbitość, naukowcy używają zmiennej zwanej S₈. Wyjaśniono, że jeśli wartość wynosi zero, wszechświat nie ma zmienności ani struktury Sunao Sugiyamy, kosmolog obserwacyjny z Uniwersytetu w Pensylwanii. To jak płaska, pozbawiona wyrazu preria, na której nie ma nawet mrowiska, które mogłoby przełamać krajobraz. Ale jeśli S₈ jest bliższa 1, wszechświat przypomina ogromne, poszarpane pasmo górskie z masywnymi skupiskami gęstej materii oddzielonymi dolinami nicości. Obserwacje dokonane przez sondę Planck na temat bardzo wczesnego Wszechświata – w którym zakorzeniły się pierwsze zalążki struktury – wykazały wartość 0.83.

Jednak obserwacje najnowszej historii kosmosu nie są do końca zgodne.

Aby porównać zbitość dzisiejszego Wszechświata z pomiarami z początkowego kosmosu, badacze badają rozkład materii na dużych połaciach nieba.

Uwzględnianie widocznych galaktyk to jedno. Ale mapowanie niewidzialnej sieci, w której znajdują się te galaktyki, to co innego. Aby to zrobić, kosmolodzy przyglądają się drobnym zniekształceniom światła galaktyk, ponieważ droga, którą światło podąża przez kosmos, ulega wypaczeniu w wyniku odchylania się przez grawitacyjny ciężar niewidzialnej materii.

Badając te zniekształcenia (znane jako słabe soczewkowanie grawitacyjne), badacze mogą prześledzić rozkład ciemnej materii wzdłuż dróg, jakie pokonuje światło. Potrafią także oszacować, gdzie znajdują się galaktyki. Dysponując obydwoma informacjami, astronomowie tworzą trójwymiarowe mapy widzialnej i niewidzialnej masy Wszechświata, co pozwala im zmierzyć, jak krajobraz kosmicznej struktury zmienia się i rośnie w czasie.

W ciągu ostatnich kilku lat duże obszary nieba wykonano w ramach trzech przeglądów wykorzystujących słabe soczewki: badanie ciemnej energii (DES), w którym wykorzystuje się teleskop na pustyni Atakama w Chile; badanie Kilo-Degree Survey (KIDS), także w Chile; a ostatnio, pięcioletnie badanie za pomocą kamery Hyper Suprime-Cam (HSC) Teleskopu Subaru na Hawajach.

Kilka lat temu przeprowadzono badania DES i KIDS S₈ wartości niższe niż Plancka – co oznacza mniejsze pasma górskie i niższe szczyty niż te, które utworzyła pierwotna kosmiczna zupa. Były to jednak tylko kuszące oznaki błędów w naszym rozumieniu wzrostu i konglomeracji kosmicznych struktur. Kosmolodzy potrzebowali większej ilości danych i z niecierpliwością czekali na publikację wyników Subaru HSC w serii pięciu artykułów w grudniu.

Zespół Subaru HSC zbadał dziesiątki milionów galaktyk pokrywających powierzchnię około 416 stopni kwadratowych nieba, co odpowiada 2,000 pełni księżyców. Na swoim skrawku nieba zespół obliczył S₈ wartość 0.78 — zgodna ze wstępnymi wynikami wcześniejszych badań i mniejsza od wartości zmierzonej z obserwacji promieniowania wczesnego Wszechświata za pomocą teleskopu Plancka. Zespół Subaru ostrożnie stwierdza, że ​​ich pomiary jedynie „wskazują” na napięcie, ponieważ nie osiągnęły jeszcze poziomu istotności statystycznej, na którym opierają się naukowcy, chociaż pracują nad dodaniem do swoich danych obserwacji z kolejnych trzech lat.

"Jeśli to S₈ napięcie jest naprawdę prawdziwe, jest coś, czego jeszcze nie rozumiemy” – powiedział Sugiyama, który kierował jedną z analiz Subaru HSC.

Kosmolodzy analizują obecnie szczegóły obserwacji, aby znaleźć źródła niepewności. Na początek zespół Subaru oszacował odległości do większości swoich galaktyk na podstawie ich ogólnego koloru, co mogło prowadzić do niedokładności. „Jeśli błędnie oszacowasz [średnią] odległość, błędnie otrzymasz także niektóre parametry kosmologiczne, na których ci zależy” – powiedział członek zespołu Rachelę Mandelbauma Uniwersytetu Carnegie Mellon.

Co więcej, pomiary te nie są łatwe do wykonania, a ich interpretacja jest skomplikowana. A różnica między wypaczonym wyglądem galaktyki a jej rzeczywistym kształtem – klucz do identyfikacji niewidzialnej masy – jest często bardzo mała, mówi Dianę Scognamiglio z Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA. Ponadto rozmycie spowodowane atmosferą ziemską może nieznacznie zmienić kształt galaktyki, co jest jednym z powodów, dla których Scognamiglio prowadzi analizę słabej soczewki za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba należącego do NASA.

Jeszcze więcej zamieszania dodają naukowcy z zespołów DES i KIDS niedawno ponownie przeanalizowali swoje pomiary razem i wyprowadzono S₈ wartość bliższa wynikom Plancka.

Więc na razie obraz jest niejasny. A niektórzy kosmolodzy nie są jeszcze przekonani, że różne S₈ pomiary są pod napięciem. „Nie sądzę, aby istniała oczywista wskazówka wskazująca na poważną, katastrofalną awarię” – powiedział Hill. Dodał jednak, że „nie jest nieprawdopodobne, że może się dziać coś interesującego”.

Gdzie widoczne są pęknięcia

Kilkanaście lat temu naukowcy dostrzegli pierwsze oznaki kłopotów z pomiarami kolejnego parametru kosmologicznego. Jednak zgromadzenie wystarczającej ilości danych, aby przekonać większość kosmologów, że mają do czynienia z pełnym kryzysem, zajęło lata.

Krótko mówiąc, pomiary szybkości dzisiejszego rozszerzania się Wszechświata – znane jako stała Hubble’a – nie odpowiadają wartościom uzyskiwanym podczas ekstrapolacji z wczesnego Wszechświata. Zagadka ta stała się znana jako napięcie Hubble'a.

Aby obliczyć stałą Hubble'a, astronomowie muszą wiedzieć, jak daleko znajdują się rzeczy. W pobliskim kosmosie naukowcy mierzą odległości za pomocą gwiazd zwanych cefeidami, które okresowo zmieniają swoją jasność. Istnieje dobrze znany związek pomiędzy szybkością zmiany jasności jednej z tych gwiazd od najjaśniejszej do najsłabszej a ilością emitowanej energii. Zależność ta, odkryta na początku XX wieku, pozwala astronomom obliczyć wewnętrzną jasność gwiazdy, a porównując ją z jasnością gwiazdy, można obliczyć jej odległość.

Wykorzystując te gwiazdy zmienne, naukowcy mogą mierzyć odległości do galaktyk oddalonych od nas do około 100 milionów lat świetlnych. Aby jednak zobaczyć nieco dalej i nieco dalej w przeszłość, używają jaśniejszego znacznika mili — specyficznego rodzaju eksplozji gwiazdowej zwanej supernową typu Ia. Astronomowie mogą również obliczyć wewnętrzną jasność tych „standardowych świec”, co pozwala im mierzyć odległości do galaktyk odległych o miliardy lat świetlnych.

W ciągu ostatnich dwudziestu lat obserwacje te pomogły astronomom określić prędkość rozszerzania się pobliskiego Wszechświata: około 73 kilometrów na sekundę na megaparsek, co oznacza, że ​​patrząc dalej, na każdy megaparsek (czyli 3.26 miliona lat świetlnych) ) odległości, przestrzeń leci o 73 kilometry na sekundę szybciej.

Ale ta wartość koliduje z wartością wywodzącą się od innego władcy osadzonego w niemowlęcym wszechświecie.

Na samym początku wszechświat palił plazmę, zupę podstawowych cząstek i energii. „To był gorący bałagan” – powiedział Vivian Poulin-Détolle, kosmolog z Uniwersytetu w Montpellier.

Ułamek sekundy w historii kosmosu, jakieś wydarzenie, być może okres ekstremalnego przyspieszenia znany jako inflacja, spowodował wstrząsy – fale ciśnienia – przez mętną plazmę.

Następnie, gdy Wszechświat ostygł, światło uwięzione w elementarnej mgle plazmowej w końcu się uwolniło. To światło – kosmiczne mikrofalowe tło, CMB – ujawnia te wczesne fale ciśnienia, tak jak powierzchnia zamarzniętego jeziora trzyma się nakładających się grzbietów fal zatrzymanych w czasie, powiedział Poulin-Détolle.

Kosmolodzy zmierzyli najczęstszą długość fali tych zamrożonych fal ciśnienia i wykorzystali ją do obliczenia wartości stałej Hubble'a wynoszącej 67.6 km / s / Mpc, z niepewnością mniejszą niż 1%.

Szczególnie rozbieżne wartości – mniej więcej 67 w porównaniu do 73 – wywołały gorącą debatę w kosmologii, która wciąż pozostaje nierozwiązana.

Astronomowie zwracają się ku niezależnym znacznikom kosmicznych mil. Przez ostatnie sześć lat, Wendy Freeman z Uniwersytetu w Chicago (który przez ćwierć wieku pracował nad stałą Hubble'a) skupił się na typie starych, czerwonych gwiazd, które zwykle żyją w zewnętrznych częściach galaktyk. Mniej nakładających się jasnych gwiazd i mniej pyłu może prowadzić do wyraźniejszych pomiarów. Korzystając z tych gwiazd, Freedman i jej współpracownicy zmierzyli tempo ekspansji wynoszące około 70 km/s/Mpc — „co w rzeczywistości jest całkiem zgodne z cefeidami” – stwierdziła. „Ale jest to również całkiem zgodne z tłem mikrofalowym”.

Aby podejść do problemu, zwróciła się teraz do potężnego oka na podczerwień JWST. Wraz ze swoimi kolegami mierzy odległości do tych gigantycznych czerwonych gwiazd w 11 pobliskich galaktykach, jednocześnie mierząc odległości do cefeid i rodzaju pulsującej gwiazdy węglowej w tych samych galaktykach. Spodziewają się opublikować wyniki wiosną tego roku, ale już teraz, jak stwierdziła, „dane wyglądają naprawdę spektakularnie”.

„Jestem bardzo ciekaw, co odkryją” – powiedział Hill, który pracuje nad zrozumieniem modeli wszechświata. Czy te nowe obserwacje poszerzą pęknięcia w ulubionym modelu kosmologii?

Nowy model?

Ponieważ obserwacje w dalszym ciągu ograniczają te kluczowe parametry kosmologiczne, naukowcy próbują dopasować dane do swoich najlepszych modeli działania Wszechświata. Być może dokładniejsze pomiary rozwiążą ich problemy, a może napięcia są po prostu artefaktem czegoś przyziemnego, jak dziwactwa używanych instrumentów.

A może modele są błędne i potrzebne będą nowe pomysły – „nowa fizyka”.

„Albo nie byliśmy na tyle sprytni, aby wymyślić model, który faktycznie pasuje do wszystkiego” – powiedział Hill, albo „w rzeczywistości może istnieć wiele elementów nowej fizyki”.

Jakie mogą być? Być może nowe podstawowe pole sił, powiedział Hill, lub interakcje między cząstkami ciemnej materii, których jeszcze nie rozumiemy, lub nowe składniki, które nie są jeszcze częścią naszego opisu wszechświata.

Niektóre nowe modele fizyczne modyfikują ciemną energię, dodając gwałtowny wzrost kosmicznego przyspieszenia we wczesnych momentach istnienia Wszechświata, zanim elektrony i protony skupiły się na sobie. „Gdyby można było w jakiś sposób zwiększyć tempo ekspansji, choćby trochę, na krótki czas, we wczesnym wszechświecie” – powiedział Marek Kamionkowski, kosmolog z Johns Hopkins University, „można rozwiązać napięcie Hubble’a”.

Kamionkowski i jeden z jego doktorantów zaproponowali ten pomysł w 2016 roku, a dwa lata później przedstawił kilka podpisów które powinien być w stanie zobaczyć kosmiczny mikrofalowy teleskop tła o wysokiej rozdzielczości. Teleskop Kosmologiczny Atacama, umieszczony na górze w Chile, rzeczywiście dostrzegł niektóre z tych sygnałów. Ale od tego czasu inni naukowcy wykazali, że model stwarza problemy z innymi kosmicznymi pomiarami.

Tego rodzaju dopracowany model, w którym dodatkowy rodzaj ciemnej energii pojawia się na chwilę, a następnie zanika, jest zbyt skomplikowany, aby wyjaśnić, co się dzieje, powiedział Dragan Huterer, kosmolog teoretyczny z Uniwersytetu Michigan. Inne proponowane rozwiązania napięcia Hubble'a mają tendencję do jeszcze słabszego dopasowania obserwacji. Są „beznadziejnie dostrojone” – stwierdził, jak po prostu historie, które są zbyt szczegółowe, aby były zgodne z długo utrzymywanym poglądem, że prostsze teorie mają tendencję do wygrywania ze złożonymi.

Pomocne mogą być dane, które napłyną w przyszłym roku. Najpierw będą wyniki zespołu Freedmana analizującego różne sondy dotyczące pobliskiego tempa ekspansji. Następnie w kwietniu naukowcy ujawnią pierwsze dane z największego jak dotąd kosmologicznego przeglądu nieba, Instrumentu Spektroskopowego Ciemnej Energii. Jeszcze w tym roku zespół Teleskopu Kosmologicznego Atacama – wraz z badaczami tworzącymi inną pierwotną mapę tła za pomocą Teleskopu Bieguna Południowego – prawdopodobnie opublikuje szczegółowe wyniki mikrofalowego tła w wyższej rozdzielczości. Obserwacje na bardziej odległym horyzoncie będą pochodzić z teleskopu kosmicznego Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, który został wystrzelony w lipcu, oraz z Obserwatorium Vera C. Rubin, maszyny do mapowania całego nieba budowanej w Chile, która będzie w pełni operacyjna w 2025 roku.

Wszechświat może mieć 13.8 miliarda lat, ale nasze wysiłki, aby go zrozumieć – i nasze w nim miejsce – są wciąż w powijakach. Wszystko w kosmologii pasowało do siebie zaledwie 15 lat temu, w krótkim okresie spokoju, który okazał się mirażem. Szczeliny, które pojawiły się dziesięć lat temu, rozwarły się szeroko, tworząc większe szczeliny w ulubionym modelu kosmologii.

„Teraz” – powiedział Di Valentino – „wszystko się zmieniło”.

Nota wydawcy: Wielu naukowców wymienionych w tym artykule otrzymało fundusze od Fundacja Simonsa, które również finansuje ten niezależny redakcyjnie magazyn. Decyzje Fundacji Simonsa nie mają wpływu na nasz zasięg. Więcej szczegółów dostępny tutaj.