Kozmolojinin En Büyük Sorularını Nasıl (Neredeyse) Hiçbir Şey Çözemez | Quanta Dergisi

Çorak bir çölün ortasındaki parlak bir şehir gibi, galaktik mahallemiz kozmik bir boşlukla çevrilidir - muazzam, neredeyse akıl almaz derecede boş bir alan cebi. Son zamanlarda, gökyüzü araştırmaları bu boş baloncuklardan binlercesini daha tespit etti. Şimdi, araştırmacılar bu kozmik boşluklardan bilgi çekmenin bir yolunu buldular: Bir uzay hacminde kaç tanesinin var olduğunu sayarak, bilim adamları kozmolojideki en zorlu iki soruyu keşfetmenin yeni bir yolunu buldular.

“Kozmolojik bilgileri çıkarmak için boşluk sayılarını ilk kez kullandık” dedi. Alice Pisani, Princeton Üniversitesi ve Flatiron Enstitüsü'nde bir kozmolog ve bir yazar yeni ön baskı işi tarif ediyor. "Bilimin sınırlarını zorlamak istiyorsak, şimdiye kadar yapılmış olanın ötesine geçmeliyiz."

Araştırmacılar, kısmen çözmeleri gereken bazı büyük gizemleri olduğu için yeni araçlar arıyorlar. İlki ve en şaşırtıcı olanı, evrenin genişleme hızı olarak bilinen bir değerdir. Hubble sabiti. On yıldan fazla bir süredir, bilim adamları bu oranın çelişkili ölçümlerini uzlaştırmak için mücadele ettiler, hatta bazıları sorunu kozmolojideki en büyük kriz.

Ayrıca, araştırmacıların sahip olduğu çelişkili ölçümler kozmik maddenin yığın halinden — zamanın bir fonksiyonu olarak evrene dağılmış büyük ölçekli yapıların, karanlık maddenin, galaksilerin, gazların ve boşlukların ortalama yoğunluğu.

Tipik olarak, gökbilimciler bu değerleri iki tamamlayıcı yolla ölçerler. Merakla, bu iki yöntem hem Hubble sabiti hem de sözde madde kümeleme gücü için farklı değerler üretir.

Pisani ve meslektaşları, yeni yaklaşımlarında her iki değeri de tahmin etmek için kozmik boşlukları kullanıyor. Ve geleneksel yöntemlerden biriyle diğerinden çok daha fazla uyuşuyor gibi görünen ilk sonuçları, şimdi kendi karmaşıklıklarını zaten sorunlu bir anlaşmazlığa katkıda bulunuyor.

"Hubble gerilimi şimdiye kadar on yıl sürdü çünkü bu zor bir problem" dedi. Adam RiessHubble sabitini tahmin etmek için süpernovaları kullanan Johns Hopkins Üniversitesi'nden bir astronom. "Bariz sorunlar kontrol edildi ve veriler iyileştirildi, bu nedenle ikilem derinleşiyor."

Şimdi, neredeyse hiçbir şeyi incelememenin büyük bir şeye yol açabileceği umut ediliyor.

Bina Balonları

Boşluklar, ortalama olarak evrenden daha az yoğun olan uzay bölgeleridir. Sınırları, evren boyunca örülmüş muazzam galaksi tabakaları ve iplikçikleriyle tanımlanır. Bazı boşluklar yüz milyonlarca ışıkyılı boyunca uzanır ve bu kabarcıklar birlikte evrenin hacminin en az %80'ini oluşturur. Ancak uzun bir süre kimse onlara pek aldırış etmedi. Pisani, "Araştırmama 2011 yılında yaklaşık 200 boşlukla başladım" dedi. "Ama şimdi kabaca 6,000'e sahibiz."

Baloncukların genişleme eğilimi vardır çünkü içlerinde içe doğru çekim kuvveti uygulayacak çok fazla madde yoktur. Onların dışındaki şeyler uzak durma eğilimindedir. Ve bir boşluğun içinde başlayan herhangi bir galaksi, bir boşluğun kenarını tanımlayan yapıların yerçekimi kuvvetiyle dışarı doğru çekilir. Pisani, bu nedenle boşlukta "çok az şey olur" dedi. “Birleşme yok, karmaşık astrofizik yok. Bu da onlarla başa çıkmayı çok kolaylaştırıyor.”

Ancak her boşluğun şekli farklıdır ve bu da bilim adamlarının bunları tanımlamasını zorlaştırabilir. Pisani, "Boşluklarımızın sağlam olduğundan emin olmak istiyoruz" dedi. "Ne kadar boş olmalı ve onu nasıl ölçebilirim?"

"Hiçbir şey" tanımının, gökbilimcilerin çıkarmak istedikleri bilgi türüne bağlı olduğu ortaya çıktı. Pisani ve meslektaşları işe, 3B mozaiği oluşturan şekilleri tanımlayan Voronoi diyagramı adı verilen matematiksel bir araçla başladılar. Bu diyagramlar tipik olarak köpüklerdeki kabarcıklar ve biyolojik dokulardaki hücreler gibi şeyleri incelemek için kullanılır.

Mevcut çalışmada, Pisani ve meslektaşları Voronoi mozaiklerini, devasa bir galaktik haritalama projesinden elde edilen verilerdeki yaklaşık 6,000 boşluğu tanımlayacak şekilde uyarladılar. Baryon Salınım Spektroskopik Araştırması (PATRON).

"Boşluklar galaksiler kataloğunu tamamlıyor" dedi Benjamin Wandelt, Paris'teki Sorbonne Üniversitesi'nde çalışmaya dahil olmayan bir astrofizikçi. "Kozmik yapıyı araştırmak için yeni bir yol."

Pisani ve meslektaşları boşlukların haritasını aldıktan sonra, bunun genişleyen evren hakkında neler ortaya çıkarabileceğini görmek için yola çıktılar.

Hiçbir şeyden bir şey

Her kozmik boşluk, büyük bir kozmik çatışmaya açılan bir penceredir. Bir tarafta, evrenimizin daha da hızlı genişlemesine neden olan gizemli güç olan karanlık enerji var. Karanlık enerji boşlukta bile mevcuttur, bu nedenle boşluğun fiziğine hakimdir. Çatışmanın diğer tarafında, boşluğu bir araya getirmeye çalışan yerçekimi var. Ve sonra maddenin topaklaşması boşluklara kırışıklıklar ekler.

Pisani ve meslektaşları dahil Sofya Contarini Bologna Üniversitesi'nden, evrenin genişlemesinin farklı boyutlardaki boşlukların sayısını nasıl etkileyeceğini modelledi. Bir avuç diğer kozmolojik parametreyi sabit tutan modellerinde, daha yavaş bir genişleme oranı daha yüksek yoğunlukta daha küçük, daha buruşuk boşluklar üretti. Öte yandan, genişleme daha hızlıysa ve madde o kadar kolay topaklanmıyorsa, daha fazlasını bulmayı umuyorlardı. büyük, pürüzsüz boşluklar.

Grup daha sonra model tahminlerini BOSS anketinden elde edilen gözlemlerle karşılaştırdı. Bundan hem topaklanmayı hem de Hubble sabitini tahmin edebildiler.

Daha sonra ölçümlerini bu değerleri ölçmenin iki geleneksel yolu ile yan yana koydular. İlk yöntem, Tip Ia süpernova adı verilen bir tür kozmik patlama kullanır. İkincisi, Büyük Patlama'dan kalan radyasyon olan kozmik mikrodalga arka planına (CMB) dayanır.

Boşluk verileri, SPK'nın tahmininden %1'den daha az değişen bir Hubble sabiti ortaya çıkardı. Topaklanma için sonuç daha karışıktı, ancak aynı zamanda SPK ile Tip Ia süpernovalardan daha yakından uyumluydu.

Şaşırtıcı bir şekilde, BOSS araştırmasındaki boşluklar, uzay ve zaman açısından daha yeni Tip Ia süpernovalara daha yakındır; bu, boşluk ölçümlerinin ilkel CMB ile daha yakından hizalanmasını biraz şaşırtıcı kılar. Ancak Wandelt, sonuçların evren hakkında yeni bir anlayış ortaya çıkarabileceğini öne sürdü.

"Saçlarımı diken diken eden derin bir içgörü var" dedi. Boşlukların içinde yapılar asla oluşmadı ve gelişmedi, bu nedenle boşluklar "evrenin ilk zamanlarının zaman kapsülleridir."

Başka bir deyişle, erken evrenin fiziği günümüzün fiziğinden farklıysa, boşluklar onu korumuş olabilir.

Yokluğun Geleceği

Diğerleri, yeni sonuçlardan herhangi bir sonuç çıkarmak için çok erken olduğunu düşünüyor.

Binlerce boşluğa rağmen, çalışmanın hata çubukları kesin bir şey söylemek için hala çok büyük. "Bu analiz son derece iyi yapılmış," dedi Ruth Dürrer, Cenevre Üniversitesi'nde araştırmaya katılmayan bir teorik fizikçi. Ancak Durrer, sonuçların henüz istatistiksel anlamlılığa ulaşmadığını belirtti. Durrer, "Alice, inanılmaz derecede iyi Hubble sabiti ölçümleri kulübünde olmak istiyorsa, %1 sınırına ulaşması gerekiyor ki bu çok büyük bir zorluk," dedi.

Pisani, çalışmayı bir kavram kanıtı olarak gördüğünü söyledi. Çelişkili CMB ve Tip Ia süpernova ölçümleriyle eşit olacak kadar boş veri toplamak için muhtemelen bir on yıl daha - ve NASA'nın Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu ve SPHEREx Gözlemevi gibi gelecekteki misyonların yardımıyla - alacak.

Durrer ayrıca, bu argümanların - kozmik gerilimleri uzlaştırma girişimlerinin - tamamen boş laftan ibaret olduğuna ve gözlemsel anlaşmazlıkların bilim adamlarının silmeye çalışmaması gereken bir gerçekliğe işaret ediyor olabileceğine de işaret ediyor.

"Süpernova ve SPK grupları çok çok farklı ölçümler yapıyor" dedi. "Öyleyse neden aynı şeyi görmememiz gerektiğini açıklayan yeni fizik olabilir."

Editörün notu: Alice Pisani, Simons Vakfı, aynı zamanda bu bağımsız editör dergisine de fon sağlıyor. Simons Vakfı finansman kararlarının kapsamımıza etkisi yoktur. Daha fazla ayrıntı burada bulabilirsiniz.