Cum (aproape) nimic nu ar putea rezolva cele mai mari întrebări ale cosmologiei | Revista Quanta

Ca un oraș strălucitor în mijlocul unui deșert sterp, cartierul nostru galactic este învăluit de un vid cosmic - un buzunar de spațiu enorm, aproape insondabil de gol. Recent, sondajele cerului au observat alte mii de aceste bule libere. Acum, cercetătorii au găsit o modalitate de a scoate informații din aceste goluri cosmice: numărând câte dintre ele există într-un volum de spațiu, oamenii de știință au conceput o nouă modalitate de a explora două dintre cele mai spinoase întrebări din cosmologie.

„Este prima dată când am folosit numere goale pentru a extrage informații cosmologice”, a spus Alice Pisani, cosmolog la Universitatea Princeton și la Institutul Flatiron și autor al cărții a nou pretipărire descriind lucrarea. „Dacă vrem să depășim granițele științei, trebuie să depășim ceea ce a fost deja făcut.”

Cercetătorii au căutat noi instrumente, în parte pentru că au câteva mistere mari de rezolvat. Prima, și cea mai nedumerită, este viteza cu care universul se extinde, o valoare cunoscută sub numele de constanta Hubble. Timp de mai bine de un deceniu, oamenii de știință s-au străduit să reconcilieze măsurătorile contradictorii ale acestei rate, unii chiar numind problema problema cea mai mare criză din cosmologie.

În plus, cercetătorii au măsurători contradictorii a aglomerației materiei cosmice — densitatea medie a structurilor la scară mare, a materiei întunecate, a galaxiilor, a gazelor și a golurilor distribuite în univers în funcție de timp.

De obicei, astronomii măsoară aceste valori în două moduri complementare. În mod curios, aceste două metode produc valori diferite atât pentru constanta Hubble, cât și pentru așa-numita putere de grupare a materiei.

În noua lor abordare, Pisani și colegii ei folosesc golurile cosmice pentru a estima ambele valori. Iar rezultatele lor timpurii, care par să fie mult mai strâns de acord cu una dintre metodele tradiționale decât cu cealaltă, contribuie acum cu propriile lor complexități la un dezacord deja puternic.

„Tensiunea Hubble a durat un deceniu până acum, deoarece este o problemă grea”, a spus Adam Riess, un astronom de la Universitatea Johns Hopkins care folosește supernove pentru a estima constanta Hubble. „Problemele evidente au fost verificate și datele s-au îmbunătățit, așa că dilema se adâncește.”

Acum, speranța este că a studia aproape nimic ar putea duce la ceva mare.

Construirea bulelor

Golurile sunt regiuni ale spațiului care sunt mai puțin dense decât universul, în medie. Granițele lor sunt definite de foile și filamentele imense ale galaxiilor care sunt țesute în întregul cosmos. Unele goluri se întind pe sute de milioane de ani lumină și împreună, aceste bule alcătuiesc cel puțin 80% din volumul universului. Multă vreme însă, nimeni nu le-a acordat prea multă atenție. „Mi-am început cercetarea în 2011 cu aproximativ 200 de goluri”, a spus Pisani. „Dar acum avem aproximativ 6,000.”

Bulele au tendința de a se extinde deoarece în interiorul lor, nu există prea multă materie pentru a exercita o atracție gravitațională spre interior. Lucrurile din afara lor tind să stea departe. Și orice galaxie care încep în interiorul unui gol este trasă în afară de atracția gravitațională a structurilor care definesc marginea golului. Din această cauză, într-un vid „se întâmplă foarte puțin”, a spus Pisani. „Nu există fuziuni, nici o astrofizică complicată. Acest lucru le face foarte ușor de tratat.”

Dar forma fiecărui gol este diferită, ceea ce poate face dificilă pentru oamenii de știință să le identifice. „Vrem să ne asigurăm că golurile noastre sunt robuste”, a spus Pisani. „Cât de gol trebuie să fie și cum îl măsor?”

Se pare că definiția „nimicului” depinde de tipul de informații pe care astronomii doresc să le extragă. Pisani și colegii au început cu un instrument matematic numit diagramă Voronoi, care identifică formele care alcătuiesc un mozaic 3D. Aceste diagrame sunt de obicei folosite pentru a studia lucruri precum bulele din spume și celulele din țesuturile biologice.

În lucrarea curentă, Pisani și colegii ei și-au adaptat teselările Voronoi pentru a identifica aproximativ 6,000 de goluri în datele dintr-un proiect enorm de cartografiere galactică numit Studiu spectroscopic de oscilație barionică (SEFUL).

„Vidurile sunt complementare catalogului de galaxii”, a spus Benjamin Wandelt, un astrofizician la Universitatea Sorbona din Paris, care nu a fost implicat în studiu. „Sunt o nouă modalitate de a sonda structura cosmică.”

Odată ce Pisani și colegii au avut harta lor a golurilor, au pornit să vadă ce ar putea dezvălui despre universul în expansiune.

Ceva din nimic

Fiecare vid cosmic este o fereastră către un mare conflict cosmic. Pe de o parte, există energia întunecată, forța misterioasă care face ca universul nostru să se extindă din ce în ce mai repede. Energia întunecată este prezentă chiar și în spațiul gol, așa că domină fizica vidului. De cealaltă parte a conflictului este gravitația, care încearcă să tragă vidul împreună. Și apoi aglomerația materiei adaugă riduri golurilor.

Pisani si colegii ei, inclusiv Sofia Contarini de la Universitatea din Bologna, a modelat modul în care expansiunea universului ar afecta numărul de goluri de diferite dimensiuni. În modelul lor, care a menținut constant o mână de alți parametri cosmologici, o rată de expansiune mai lentă a produs o densitate mai mare de goluri mai mici și mai mototolite. Pe de altă parte, dacă expansiunea a fost mai rapidă și materia nu s-a aglomerat la fel de ușor, se așteptau să găsească mai multe goluri mari, netede.

Grupul și-a comparat apoi predicțiile modelului cu observațiile din sondajul BOSS. Din aceasta, au fost capabili să estimeze atât aglomerația, cât și constanta Hubble.

Apoi și-au juxtapus măsurătorile cu cele două modalități tradiționale de a măsura aceste valori. Prima metodă folosește un tip de explozie cosmică numită supernova de tip Ia. Al doilea se bazează pe fundalul cosmic cu microunde (CMB), radiația rămasă de la Big Bang.

Datele de goluri au relevat o constantă Hubble care a variat cu mai puțin de 1% față de estimarea CMB. Rezultatul pentru aglomerație a fost mai confuză, dar s-a aliniat și mai strâns cu CMB decât cu supernovele de tip Ia.

În mod surprinzător, golurile din sondajul BOSS se află mai aproape în spațiu și timp de supernove mai recente de tip Ia - făcând un pic surprinzător faptul că măsurătorile golurilor se aliniază mai strâns cu CMB primordial. Totuși, Wandelt a sugerat că rezultatele ar putea dezvălui o nouă înțelegere a universului.

„Există o perspectivă profundă care îmi face părul să se ridice”, a spus el. În interiorul golurilor, structurile nu s-au format și nu au evoluat niciodată, așa că golurile „sunt capsule temporale ale universului timpuriu”.

Cu alte cuvinte, dacă fizica universului timpuriu era diferită de fizica zilelor noastre, este posibil ca golurile să fi păstrat-o.

Viitorul absenței

Alții cred că este prea devreme pentru a trage concluzii din noile rezultate.

Chiar și cu mii de goluri, barele de eroare ale studiului sunt încă prea mari pentru a spune ceva concludent. „Această analiză este extrem de bine făcută”, a spus Ruth Durrer, un fizician teoretician la Universitatea din Geneva care nu a luat parte la cercetare. Dar, a remarcat Durrer, rezultatele nu au atins încă semnificația statistică. „Dacă Alice vrea să fie în clubul măsurătorilor constante Hubble uimitor de bune, trebuie să ajungă la limita de 1%, ceea ce este o provocare uriașă”, a spus Durrer.

Pisani a spus ca considera lucrarea ca o dovada de concept. Va mai dura probabil încă un deceniu - și ajutorul misiunilor viitoare, cum ar fi Telescopul spațial roman Nancy Grace al NASA și Observatorul SPHEREx - pentru a acumula suficiente date de gol pentru a fi la egalitate cu măsurătorile conflictuale CMB și supernova de tip Ia.

Durrer subliniază, de asemenea, că poate aceste argumente - încercările de a reconcilia tensiunile cosmice - sunt toate mult zgomot pentru nimic și că dezacordurile observaționale ar putea indica o realitate pe care oamenii de știință nu ar trebui să încerce să o ștergă.

„Grupurile de supernova și CMB fac măsurători foarte, foarte diferite”, a spus ea. „Deci ar putea exista o nouă fizică care explică de ce nu ar trebui să vedem același lucru.”

Nota redactiei: Alice Pisani primeste finantare de la Fundația Simons, care finanțează și această revistă independentă din punct de vedere editorial. Deciziile de finanțare ale Fundației Simons nu au nicio influență asupra acoperirii noastre. Mai multe detalii sunt disponibil aici.