Ciocnirea numerelor cosmice provoacă cea mai bună teorie a universului | Revista Quanta

La începutul anilor 2000, se părea că cosmologii au rezolvat cel mai mare și cel mai complex puzzle dintre toate: cum funcționează universul.

„A existat acest moment uimitor când dintr-o dată, toate piesele din cosmologie s-au rupt împreună”, a spus J. Colin Hill, un cosmolog teoretic la Universitatea Columbia.

Toate modalitățile de a studia universul – cartografierea galaxiilor și a structurilor lor mai mari, surprinderea exploziilor stelare catastrofale numite supernove, calcularea distanțelor până la stelele variabile, măsurarea strălucirii cosmice reziduale din universul timpuriu – au spus povești care „păreau să se suprapună”, a spus Hill.

Lipiciul care a ținut împreună poveștile fusese descoperit cu câțiva ani mai devreme, în 1998: energia întunecată, o forță misterioasă care, în loc să lipească cosmosul, îl face cumva să se extindă din ce în ce mai rapid, în loc să încetinească în timp. Când oamenii de știință au inclus acest ceva cosmic în modelele lor ale universului, teoriile și observațiile s-au îmbinat. Ei au elaborat ceea ce este cunoscut acum ca modelul standard al cosmologiei, numit Lambda-CDM, în care energia întunecată reprezintă aproape 70% din univers, în timp ce o altă entitate întunecată misterioasă - un tip de masă invizibilă care pare să interacționeze doar cu materia normală. prin gravitație — reprezintă aproximativ 25%. Restul de 5% este tot ceea ce putem vedea: stelele, planetele și galaxiile pe care astronomii le-au studiat de milenii.

Dar acel moment de liniște a fost doar un scurt răgaz între vremuri de luptă. Pe măsură ce astronomii au făcut observații mai precise ale universului de-a lungul timpului cosmic, în modelul standard au început să apară fisuri. Unele dintre primele semne de necaz au venit din măsurători ale stele variabile și supernove într-o mână de galaxii din apropiere — observații care, în comparație cu strălucirea cosmică reziduală, au sugerat că universul nostru joacă după reguli diferite decât am crezut noi și că un parametru cosmologic crucial care definește cât de repede se zboară universul se schimbă atunci când măsoară-l cu diferite criterii.

Cosmologii au avut o problemă - ceva ce au numit tensiune sau, în momentele lor mai dramatice, a criză.

Aceste măsurători discordante au devenit mai distincte abia în deceniul de când au apărut primele fisuri. Și această discrepanță nu este singura provocare pentru modelul standard al cosmologiei. Observațiile galaxiilor sugerează că modul în care structurile cosmice s-au aglomerat în timp, poate diferi de cea mai bună înțelegere a noastră despre modul în care universul de astăzi ar fi trebuit să crească din semințe încorporate în cosmosul timpuriu. Și nepotriviri și mai subtile provin din studii detaliate ale luminii celei mai vechi a universului.

Alte neconcordanțe abundă. „Există mult mai multe probleme mai mici în altă parte”, a spus Eleonora Di Valentino, un cosmolog teoretic la Universitatea din Sheffield. „De aceea este derutant. Pentru că nu sunt doar aceste mari probleme.”

Pentru a atenua aceste tensiuni, cosmologii adoptă două abordări complementare. În primul rând, ei continuă să facă observații mai precise ale cosmosului, în speranța că date mai bune vor dezvălui indicii despre cum să procedeze. În plus, ei găsesc modalități de a modifica subtil modelul standard pentru a se adapta la rezultate neașteptate. Dar aceste soluții sunt adesea concepute și, dacă rezolvă o problemă, deseori le agravează pe altele.

„Situația de acum pare o mare mizerie”, a spus Hill. „Nu știu ce să fac din asta.”

Lumină deformată

Pentru a caracteriza universul nostru, oamenii de știință folosesc o mână de numere, pe care cosmologii le numesc parametri. Entitățile fizice la care se referă aceste valori sunt toate angrenajele dintr-o mașină cosmică uriașă, cu fiecare bit conectat la ceilalți.

Unul dintre acești parametri se referă la cât de puternic se adună masa. Aceasta, la rândul său, ne spune ceva despre modul în care funcționează energia întunecată, deoarece împingerea sa accelerată spre exterior intră în conflict cu atracția gravitațională a masei cosmice. Pentru a cuantifica aglomerația, oamenii de știință folosesc o variabilă numită S₈. Dacă valoarea este zero, atunci universul nu are nicio variație și nicio structură, explicat Sunao Sugiyama, un cosmolog observațional la Universitatea din Pennsylvania. Este ca o prerie plată, fără trăsături, fără nici măcar un furnicar care să spargă peisajul. Dar dacă S₈ este mai aproape de 1, universul este ca un lanț de munți uriaș, zimțat, cu aglomerări masive de materie densă separate de văi ale neantului. Observațiile făcute de nava spațială Planck din universul foarte timpuriu – unde s-au așezat primele semințe ale structurii – găsesc o valoare de 0.83.

Dar observațiile din istoria cosmică recentă nu sunt de acord.

Pentru a compara aglomerația din universul de astăzi cu măsurătorile cosmosului infantil, cercetătorii cercetează modul în care materia este distribuită pe zone mari de cer.

Contabilizarea galaxiilor vizibile este un lucru. Dar cartografierea rețelei invizibile pe care se află acele galaxii este alta. Pentru a face acest lucru, cosmologii se uită la micile distorsiuni ale luminii galaxiilor, deoarece calea pe care o parcurge lumina pe măsură ce trece prin cosmos este deformată pe măsură ce lumina este deviată de greutatea gravitațională a materiei invizibile.

Studiind aceste distorsiuni (cunoscute sub numele de lentile gravitaționale slabe), cercetătorii pot urmări distribuția materiei întunecate de-a lungul căilor pe care le-a parcurs lumina. De asemenea, ei pot estima unde sunt galaxiile. Cu ambele informații în mână, astronomii creează hărți 3D ale masei vizibile și invizibile a universului, ceea ce le permite să măsoare modul în care peisajul structurii cosmice se schimbă și crește în timp.

În ultimii câțiva ani, trei sondaje cu lentile slabe au cartografiat pete mari ale cerului: Dark Energy Survey (DES), care folosește un telescop în deșertul Atacama din Chile; Kilo-Degree Survey (KIDS), tot în Chile; și cel mai recent, un sondaj de cinci ani de la Hyper Suprime-Cam (HSC) al telescopului Subaru din Hawai'i.

În urmă cu câțiva ani, au fost realizate sondajele DES și KIDS S₈ valori mai mici decât ale lui Planck — implicând lanțuri muntoase mai mici și vârfuri mai joase decât ceea ce a creat supa cosmică primordială. Dar acestea au fost doar indicii tentante de defecte în înțelegerea noastră a modului în care structurile cosmice cresc și se conglomera. Cosmologii aveau nevoie de mai multe date și așteptau cu nerăbdare rezultatele Subaru HSC, care au fost publicate într-o serie de cinci lucrări in decembrie.

Echipa Subaru HSC a cercetat zeci de milioane de galaxii care acoperă aproximativ 416 de grade pătrate pe cer, sau echivalentul a 2,000 de luni pline. În zona lor de cer, echipa a calculat un S₈ valoare de 0.78 — în conformitate cu rezultatele inițiale din sondajele anterioare și mai mică decât valoarea măsurată din observațiile telescopului Planck cu privire la radiația universului timpuriu. Echipa Subaru este atentă să spună că măsurătorile lor „indică” doar o tensiune, deoarece nu au atins tocmai nivelul de semnificație statistică pe care se bazează oamenii de știință, deși lucrează la adăugarea altor trei ani de observații la datele lor.

„Dacă asta S₈ tensiunea este cu adevărat adevărată, este ceva ce nu înțelegem încă”, a spus Sugiyama, care a condus una dintre analizele Subaru HSC.

Cosmologii studiază acum detaliile observațiilor pentru a identifica sursele de incertitudine. Pentru început, echipa Subaru a estimat distanțele până la majoritatea galaxiilor lor pe baza culorii lor generale, ceea ce ar putea duce la inexactități. „Dacă ați greșit estimările de distanță [medie], ați greși și unii dintre parametrii cosmologici care vă interesează”, a spus membrul echipei Rachel Mandelbaum de la Universitatea Carnegie Mellon.

În plus, aceste măsurători nu sunt ușor de făcut, cu complexități subtile în interpretare. Iar diferența dintre aspectul deformat al unei galaxii și forma ei reală - cheia pentru identificarea masei invizibile - este adesea foarte mică, a spus. Diana Scognamiglio al Laboratorului de propulsie cu reacție al NASA. În plus, estomparea din atmosfera Pământului poate modifica ușor forma unei galaxii, acesta fiind unul dintre motivele pentru care Scognamiglio conduce o analiză cu lentile slabe folosind telescopul spațial James Webb de la NASA.

Adăugând mai multă confuzie, oamenii de știință cu echipele DES și KIDS și-au reanalizat recent măsurătorile împreună și derivate an S₈ valoare mai apropiată de rezultatele Planck.

Deci, deocamdată, poza este dezordonată. Iar unii cosmologi nu sunt încă convinși că diversele S₈ măsurătorile sunt în tensiune. „Nu cred că există un indiciu evident de eșec catastrofal major acolo”, a spus Hill. Dar, a adăugat el, „nu este neplauzibil să se întâmple ceva interesant”.

Unde fisurile sunt evidente

În urmă cu o duzină de ani, oamenii de știință au văzut primele indicii de probleme cu măsurătorile unui alt parametru cosmologic. Dar au fost nevoie de ani pentru a acumula suficiente date pentru a convinge majoritatea cosmologilor că au de-a face cu o criză completă.

Pe scurt, măsurătorile cu cât de repede se extinde universul astăzi - cunoscută sub numele de constanta Hubble - nu se potrivesc cu valoarea pe care o obțineți atunci când extrapolați din universul timpuriu. Enigma a devenit cunoscută ca tensiunea Hubble.

Pentru a calcula constanta Hubble, astronomii trebuie să știe cât de departe sunt lucrurile. În cosmosul din apropiere, oamenii de știință măsoară distanțele folosind stele numite variabile cefeide care își schimbă periodic luminozitatea. Există o relație binecunoscută între cât de repede una dintre aceste stele oscilează de la cea mai strălucitoare la cea mai slabă și cât de multă energie radiază. Această relație, care a fost descoperită la începutul secolului al XX-lea, le permite astronomilor să calculeze luminozitatea intrinsecă a stelei și, comparând aceasta cu cât de strălucitoare apare, ei pot calcula distanța acesteia.

Folosind aceste stele variabile, oamenii de știință pot măsura distanțele până la galaxii de până la aproximativ 100 de milioane de ani lumină de noi. Dar pentru a vedea puțin mai departe și puțin mai înapoi în timp, ei folosesc un marker de mile mai luminos - un tip specific de explozie stelară numită supernova de tip Ia. Astronomii pot calcula, de asemenea, luminozitatea intrinsecă a acestor „lumânări standard”, ceea ce le permite să măsoare distanțe până la galaxii aflate la miliarde de ani lumină distanță.

În ultimele două decenii, aceste observații i-au ajutat pe astronomi să stabilească o valoare a cât de repede se extinde universul din apropiere: aproximativ 73 de kilometri pe secundă pe megaparsec, ceea ce înseamnă că, pe măsură ce privești mai departe, pentru fiecare megaparsec (sau 3.26 milioane de ani-lumină). ) de distanță, spațiul zboară cu 73 de kilometri pe secundă mai repede.

Dar această valoare se ciocnește cu una derivată de la un alt conducător încorporat în universul infantil.

La început, universul ardea plasmă, o supă de particule fundamentale și energie. „A fost o mizerie fierbinte”, a spus Vivian Poulin-Détolle, un cosmolog la Universitatea din Montpellier.

O fracțiune de secundă în istoria cosmică, un anumit eveniment, poate o perioadă de accelerare extremă cunoscută sub numele de inflație, a trimis șocuri - unde de presiune - prin plasma tulbure.

Apoi, pe măsură ce universul s-a răcit, lumina care era prinsă în ceața de plasmă elementară s-a eliberat în sfârșit. Acea lumină – fundalul cosmic cu microunde sau CMB – dezvăluie acele unde de presiune timpurie, la fel cum suprafața unui lac înghețat se ține de crestele suprapuse ale valurilor înghețate în timp, a spus Poulin-Détolle.

Cosmologii au măsurat cea mai comună lungime de undă a acestor unde de presiune înghețate și au folosit-o pentru a calcula o valoare pentru constanta Hubble a 67.6 km/s/Mpc, cu o incertitudine mai mică de 1%.

Valorile deosebit de discordante - aproximativ 67 versus 73 - au aprins o dezbatere aprinsă în cosmologie, care este încă nerezolvată.

Astronomii se îndreaptă către markeri de mile cosmice independente. În ultimii șase ani, Wendy Freeman de la Universitatea din Chicago (care a lucrat la constanta Hubble timp de un sfert de secol) sa concentrat asupra unui tip de stea veche, roșie, care trăiește de obicei în porțiunile exterioare ale galaxiilor. Acolo, mai puține stele strălucitoare suprapuse și mai puțin praf pot duce la măsurători mai clare. Folosind acele stele, Freedman și colegii ei au măsurat o rată de expansiune de aproximativ 70 km/s/Mpc – „care este de fapt în acord destul de bun cu Cefeidele”, a spus ea. „Dar este, de asemenea, în acord destul de bun cu fundalul cuptorului cu microunde.”

Acum a apelat la puternicul ochi infraroșu al JWST pentru a aborda problema. Împreună cu colegii ei, ea măsoară distanțele până la aceste stele roșii gigantice din 11 galaxii din apropiere, în timp ce măsoară simultan distanțele până la Cefeide și un tip de stea de carbon pulsatorie din aceleași galaxii. Se așteaptă să publice rezultatele cândva în această primăvară, dar deja, a spus ea, „datele arată cu adevărat spectaculos”.

„Sunt foarte interesat să văd ce găsesc”, a spus Hill, care lucrează pentru a înțelege modelele universului. Aceste noi observații vor lărgi fisurile în modelul preferat al cosmologiei?

Un nou model?

Pe măsură ce observațiile continuă să constrângă acești parametri cosmologici cruciali, oamenii de știință încearcă să adapteze datele la cele mai bune modele ale modului în care funcționează universul. Poate că măsurătorile mai precise le vor rezolva problemele, sau poate că tensiunile sunt doar un artefact a ceva banal, cum ar fi ciudateniile instrumentelor folosite.

Sau poate că modelele sunt greșite și vor fi necesare idei noi – „fizică nouă”.

„Fie nu am fost suficient de deștepți pentru a veni cu un model care să se potrivească cu totul”, a spus Hill, sau „s-ar putea să fie, de fapt, mai multe piese de fizică nouă în joc”.

Ce ar putea fi? Poate un nou câmp de forță fundamental, a spus Hill, sau interacțiuni între particulele de materie întunecată pe care încă nu le înțelegem, sau noi ingrediente care nu fac încă parte din descrierea noastră a universului.

Unele modele noi de fizică modifică energia întunecată, adăugând un val de accelerație cosmică în primele momente ale universului, înainte ca electronii și protonii să se aprindă unul peste altul. „Dacă rata de expansiune ar putea fi într-un fel crescută, doar puțin pentru un timp în universul timpuriu”, a spus Marc Kamionkowski, un cosmolog la Universitatea Johns Hopkins, „puteți rezolva tensiunea Hubble”.

Kamionkowski și unul dintre studenții săi absolvenți au propus ideea în 2016, iar doi ani mai târziu a conturat câteva semnături pe care un telescop cu fundal cosmic cu microunde de înaltă rezoluție ar trebui să-l poată vedea. Și Telescopul Cosmologic Atacama, așezat pe un munte din Chile, a văzut unele dintre acele semnale. Dar de atunci, alți oameni de știință au demonstrat că modelul creează probleme cu alte măsurători cosmice.

Acest tip de model reglat fin, în care un tip suplimentar de energie întunecată crește pentru o clipă și apoi dispare, este prea complicat pentru a explica ce se întâmplă, a spus Dragan Huterer, un cosmolog teoretic la Universitatea din Michigan. Și alte soluții propuse pentru tensiunea Hubble tind să se potrivească și mai slab cu observațiile. Sunt „acordate fără speranță”, a spus el, ca niște povești care sunt prea specifice pentru a fi în pas cu ideea de mult timp că teoriile mai simple tind să învingă cele complexe.

Datele care vor veni în anul următor ar putea ajuta. Primul va fi rezultatele echipei lui Freedman care analizează diferite probe ale ratei de expansiune din apropiere. Apoi, în aprilie, cercetătorii vor dezvălui primele date din cel mai mare studiu cosmologic al cerului de până acum, Instrumentul spectroscopic al energiei întunecate. Mai târziu în cursul anului, echipa Atacama Cosmology Telescope - și cercetătorii care realizează o altă hartă primordială de fundal folosind Telescopul de la Polul Sud - vor publica probabil rezultatele detaliate ale fundalului cu microunde la rezoluție mai mare. Observațiile la orizont mai îndepărtat vor veni de la Euclid al Agenției Spațiale Europene, un telescop spațial lansat în iulie, și de la Observatorul Vera C. Rubin, o mașină de cartografiere a întregului cer construită în Chile și care va fi pe deplin operațională în 2025.

Universul ar putea avea 13.8 miliarde de ani, dar încercarea noastră de a-l înțelege – și locul nostru în el – este încă la început. Totul în cosmologie se potrivește acum doar 15 ani, într-o scurtă perioadă de liniște care s-a dovedit a fi un miraj. Fisurile care au apărut în urmă cu un deceniu s-au deschis larg, creând rupturi mai mari în modelul preferat al cosmologiei.

„Acum”, a spus Di Valentino, „totul s-a schimbat”.

Nota editorului: mai mulți oameni de știință menționați în acest articol au primit finanțare 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.