Hur (nästan) ingenting kan lösa kosmologins största frågor | Quanta Magazine

Som en ljus stad mitt i en karg öken, omges vårt galaktiska område av ett kosmiskt tomrum - en enorm, nästan outgrundligt tom ficka av rymden. Nyligen har skyundersökningar upptäckt tusentals fler av dessa tomma bubblor. Nu har forskare hittat ett sätt att dra information ur dessa kosmiska tomrum: Genom att räkna hur många av dem som finns i en volym av rymden, har forskare utarbetat ett nytt sätt att utforska två av de svåraste frågorna inom kosmologi.

"Det är allra första gången som vi har använt tomrumsnummer för att extrahera kosmologisk information," sa Alice Pisani, en kosmolog vid Princeton University och Flatiron Institute och en författare till en nytt förtryck beskriver arbetet. "Om vi ​​vill tänja på vetenskapens gränser måste vi gå längre än vad som redan har gjorts."

Forskare har letat efter nya verktyg delvis för att de har några stora mysterier att lösa. Den första, och mest förbryllande, är den hastighet med vilken universum expanderar, ett värde som kallas Hubble konstant. I mer än ett decennium har forskare kämpat för att förena motstridiga mätningar av denna hastighet, och vissa har till och med kallat frågan för största krisen inom kosmologi.

Dessutom har forskare motstridiga mått av den kosmiska materiens klumpighet — den genomsnittliga tätheten av storskaliga strukturer, mörk materia, galaxer, gaser och tomrum fördelade över hela universum som en funktion av tiden.

Vanligtvis mäter astronomer dessa värden på två komplementära sätt. Märkligt nog producerar dessa två metoder olika värden för både Hubble-konstanten och den så kallade materieklustringsstyrkan.

I sitt nya tillvägagångssätt använder Pisani och hennes kollegor kosmiska tomrum för att uppskatta båda värdena. Och deras tidiga resultat, som tycks överensstämma mycket mer med den ena av de traditionella metoderna än den andra, bidrar nu till sin egen komplexitet till en redan full av oenighet.

"Hubble-spänningen har varat i ett decennium hittills eftersom det är ett svårt problem," sa Adam Riess, en astronom vid Johns Hopkins University som använder supernovor för att uppskatta Hubble-konstanten. "De uppenbara problemen har kontrollerats och data har förbättrats, så dilemmat fördjupas."

Nu är förhoppningen att studera nästan ingenting kan leda till något stort.

Bygga bubblor

Tomrum är områden i rymden som är mindre täta än universum i genomsnitt. Deras gränser definieras av de enorma arken och filamenten av galaxer som är vävda i hela kosmos. Vissa tomrum sträcker sig över hundratals miljoner ljusår, och tillsammans utgör dessa bubblor minst 80 % av universums volym. Men under lång tid var det ingen som ägnade dem mycket uppmärksamhet. "Jag började min forskning 2011 med cirka 200 tomrum," sa Pisani. "Men nu har vi ungefär 6,000 XNUMX."

Bubblorna har en tendens att expandera för inuti dem finns det inte mycket materia att utöva en inåtgående gravitationskraft. Sakerna utanför dem tenderar att hålla sig borta. Och alla galaxer som börjar inuti ett tomrum dras utåt av gravitationskraften från strukturerna som definierar ett tomrums kant. På grund av detta händer "väldigt lite i ett tomrum", sa Pisani. "Det finns inga sammanslagningar, ingen komplicerad astrofysik. Detta gör dem väldigt lätta att ha att göra med.”

Men varje tomrums form är olika, vilket kan göra det svårt för forskare att identifiera dem. "Vi vill se till att våra tomrum är robusta," sa Pisani. "Hur tom måste den vara och hur mäter jag den?"

Det visar sig att definitionen av "ingenting" beror på vilken typ av information astronomer vill extrahera. Pisani och kollegor började med ett matematiskt verktyg som kallas Voronoi-diagram, som identifierar formerna som utgör en 3D-mosaik. Dessa diagram används vanligtvis för att studera saker som bubblor i skum och celler i biologiska vävnader.

I det aktuella arbetet skräddarsydde Pisani och hennes kollegor sina Voronoi-tesselationer för att identifiera omkring 6,000 XNUMX tomrum i data från ett enormt galaktiskt kartläggningsprojekt kallat Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (CHEF).

"Tomrum är komplementära till katalogen över galaxer," sa Benjamin Wandelt, en astrofysiker vid Sorbonne University i Paris som inte var involverad i studien. "De är ett nytt sätt att undersöka kosmisk struktur."

När Pisani och kollegor väl hade sin karta över tomrum gav de sig ut för att se vad den kunde avslöja om det expanderande universum.

Något från ingenting

Varje kosmiskt tomrum är ett fönster mot en stor kosmisk konflikt. På ena sidan finns mörk energi, den mystiska kraften som får vårt universum att expandera allt snabbare. Mörk energi finns även i tomma utrymmen, så den dominerar tomrummets fysik. På andra sidan av konflikten finns gravitationen, som försöker dra ihop tomrummet. Och sedan lägger materiens klumpighet till rynkor till tomrummen.

Pisani och hennes kollegor, inklusive Sofia Contarini från universitetet i Bologna, modellerade hur universums expansion skulle påverka antalet tomrum av olika storlekar. I deras modell, som höll en handfull andra kosmologiska parametrar konstanta, gav en långsammare expansionshastighet en högre täthet av mindre, mer skrynkliga tomrum. Å andra sidan, om expansionen gick snabbare och materien inte klumpar sig lika lätt, förväntade de sig att hitta mer stora, jämna hålrum.

Gruppen jämförde sedan sina modellförutsägelser med observationer från BOSS-undersökningen. Utifrån detta kunde de uppskatta både klumpighet och Hubble-konstanten.

De ställde sedan sina mätningar tillsammans med de två traditionella sätten att mäta dessa värden. Den första metoden använder en typ av kosmisk explosion som kallas en supernova av typ Ia. Den andra förlitar sig på den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), den strålning som blev över från Big Bang.

Ogiltiga data avslöjade en Hubble-konstant som varierade med mindre än 1 % från CMB:s uppskattning. Resultatet för klumpighet var mer rörigt, men det passade också närmare CMB än med supernovor av typ Ia.

Förbryllande nog ligger tomrummen i BOSS-undersökningen närmare i rum och tid till nyare typ Ia-supernovor - vilket gör det lite förvånande att tomrumsmätningarna ligger mer i linje med den ursprungliga CMB. Wandelt föreslog dock att resultaten kan avslöja en ny förståelse om universum.

"Det finns en djup insikt som får mitt hår att resa sig," sa han. Inuti tomrum bildades och utvecklades aldrig strukturer, så tomrum "är tidskapslar av det tidiga universum."

Med andra ord, om det tidiga universums fysik var annorlunda än dagens fysik, kan tomrummen ha bevarat den.

Frånvarans framtid

Andra tycker att det är för tidigt att dra några slutsatser av de nya resultaten.

Även med tusentals tomrum är studiens felstaplar fortfarande för stora för att säga något avgörande. "Denna analys är extremt välgjord," sa Ruth Durrer, en teoretisk fysiker vid universitetet i Genève som inte deltog i forskningen. Men, noterade Durrer, resultaten har inte nått statistisk signifikans - ännu. "Om Alice vill vara i klubben med fantastiskt bra konstantmätningar av Hubble måste hon komma till 1%-gränsen, vilket är en enorm utmaning," sa Durrer.

Pisani sa att hon anser att arbetet är ett proof of concept. Det kommer sannolikt att ta ytterligare ett decennium - och med hjälp av framtida uppdrag som NASA:s Nancy Grace Roman Space Telescope och SPHERex Observatory - att samla tillräckligt med tomrumsdata för att vara i nivå med de motstridiga CMB- och Type Ia-supernovamätningarna.

Durrer påpekar också att kanske dessa argument - försöken att förena kosmiska spänningar - alla är mycket upprörda om ingenting, och att de observationsmässiga meningsskiljaktigheterna kan peka på en verklighet som forskare inte borde försöka radera.

"Supernova- och CMB-grupperna gör mätningar som är väldigt, väldigt olika," sa hon. "Så det kan finnas ny fysik som förklarar varför vi inte borde se samma sak."

Redaktörens anteckning: Alice Pisani får finansiering från Simons Foundation, som också finansierar denna redaktionellt oberoende tidning. Simons Foundation-finansieringsbeslut har inget inflytande på vår täckning. Mer information finns finns här.