Coś jest nie tak z wszechświatem.
Może to być coś małego: problem pomiaru, który sprawia, że niektóre gwiazdy patrzą bliżej lub dalej niż są, coś, co astrofizycy mogą naprawić kilkoma drobnymi poprawkami dotyczącymi sposobu pomiaru odległości w przestrzeni. Może to być coś dużego: błąd - lub seria błędów - w kosmologii lub nasze rozumienie pochodzenia i ewolucji wszechświata. W takim przypadku cała nasza historia przestrzeni i czasu może zostać pomieszana. Ale cokolwiek to jest, sprawia, że kluczowe obserwacje wszechświata nie zgadzają się ze sobą: zmierzone w jeden sposób, wszechświat wydaje się rozszerzać w określonym tempie; zmierzone w inny sposób, wszechświat wydaje się rozszerzać w innym tempie. Jak pokazuje nowy artykuł, rozbieżności te wzrosły w ostatnich latach, nawet gdy pomiary stały się bardziej precyzyjne.
„Uważamy, że jeśli nasze rozumienie kosmologii jest prawidłowe, wszystkie te pomiary powinny dać nam tę samą odpowiedź”, powiedziała Katie Mack, kosmolog teoretyczny z North Carolina State University (NCSU) i współautorka nowego artykułu .
Dwa najbardziej znane pomiary działają bardzo odmiennie. Pierwszy opiera się na Cosmic Microwave Background (CMB): promieniowaniu mikrofalowym pozostałym po pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu. Kosmolodzy zbudowali modele teoretyczne całej historii wszechświata na fundamencie CMB - modele, w których są bardzo pewni, a to wymagałoby zupełnie nowej fizyki do złamania. Podsumowując, Mack powiedział, że wytwarzają one dość dokładną liczbę dla stałej Hubble'a, czyli H0, która określa, jak szybko wszechświat się rozszerza.
Drugi pomiar wykorzystuje supernowe i migające gwiazdy w pobliskich galaktykach, znane jako Cefeidy. Oceniając, jak daleko te galaktyki są od naszej i jak szybko oddalają się od nas, astronomowie uzyskali, jak uważają, bardzo precyzyjny pomiar stałej Hubble'a. Ta metoda oferuje inny poziom H0.
„Jeśli otrzymujemy różne odpowiedzi, oznacza to, że jest coś, o czym nie wiemy” - powiedział Mack Live Live. „Więc tak naprawdę chodzi tu nie tylko o zrozumienie obecnego tempa ekspansji wszechświata - co nas interesuje - ale zrozumienie, w jaki sposób wszechświat ewoluował, w jaki sposób ewolucja ewoluowała i jaka jest czasoprzestrzeń czas."
Weikang Lin, również kosmolog z NCSU i główny autor artykułu, powiedział, że aby opracować pełny obraz problemu, zespół postanowił zaokrąglić wszystkie różne sposoby „ograniczenia” H0 w jednym miejscu. Artykuł nie został jeszcze oficjalnie przejrzany ani opublikowany i jest dostępny na serwerze preprint arXiv.
Oto, co oznacza „ograniczenie”: pomiary w fizyce rzadko ujawniają dokładne odpowiedzi. Zamiast tego ograniczają zakres możliwych odpowiedzi. Patrząc razem na te ograniczenia, możesz się wiele dowiedzieć o czymś, czego się uczysz. Patrząc na przykład przez jeden teleskop, możesz dowiedzieć się, że punkt światła w przestrzeni jest czerwony, żółty lub pomarańczowy. Inny może powiedzieć, że jest jaśniejszy niż większość innych świateł w kosmosie, ale mniej jasny niż słońce. Inny może powiedzieć, że porusza się po niebie tak szybko, jak planeta. Żadne z tych ograniczeń nie powiedziałoby ci wiele samodzielnie, ale razem sugerują, że patrzysz na Marsa.
Lin, Mack i ich trzeci współautor, absolwent NCSU, Liqiang Hou, przyjrzeli się ograniczeniom dwóch stałych: H0 i czegoś zwanego „masową frakcją” wszechświata, oznaczonego jako Ωm, co mówi, ile wszechświata to energia, a ile materii. Lin powiedział, że wiele pomiarów H0 również ogranicza Ωm, więc warto spojrzeć na nie razem.
W ten sposób powstała ta kolorowa fabuła:
Rozciągnięty WMAP oznaczony karmazynowo-owalnym jest zakresem możliwych frakcji masowych i stałych Hubble'a, które były możliwe na podstawie wcześniejszych badań CMB przeprowadzonych przez NASA w przeszłości, znanych jako mikrofalowa sonda anizotropowa Wilkinsona. Żółta kolumna oznaczona CV SN (skrót od „Cefeid-Supernova-Calibrated Type-Ia”) odnosi się do pomiarów Cefeid-supernowa, które nie ograniczają frakcji masowej wszechświata, ale ograniczają H0. Czerwony pasek oznaczony SN P (skrót od „Type-Ia Supernovae Pantheon”) jest głównym ograniczeniem frakcji masowej wszechświata.
Widać, że krawędzie WMAP i CV SN zachodzą na siebie, głównie poza czerwonym paskiem. To był obraz rozbieżności kilka lat temu, Mack powiedział: Wystarczająco istotne, aby martwić się, że te dwa pomiary przyniosły różne odpowiedzi, ale nie tak znaczące, aby uczynić je niezgodnymi z niewielkim poprawieniem.
Ale w ostatnich latach wprowadzono nowy pomiar CMB z grupy o nazwie Planck Collaboration. Współpraca z Planckiem, która opublikowała swój najnowszy zestaw danych w 2018 r., Nałożyła bardzo surowe ograniczenia na ułamek masowy i tempo ekspansji wszechświata, oznaczone czarnym pasmem na wykresie oznaczonym Planck.
Teraz, jak napisali autorzy, powstają dwa niezwykle różne obrazy wszechświata. Planck i WMAP - wraz z szeregiem innych podejść do ograniczenia H0 i Ωm - wszystkie są mniej lub bardziej kompatybilne. Na działce jest miejsce, w kręgu białych kresek, gdzie wszystkie pozwalają na podobne odpowiedzi dotyczące tego, jak szybko wszechświat się rozszerza i ile składa się z materii. Widać, że prawie wszystkie kształty na wykresie przechodzą przez to koło.
Ale najbardziej bezpośredni pomiar, oparty na faktycznym badaniu, jak daleko są rzeczy w naszym wszechświecie lokalnym i jak szybko się poruszają, nie zgadza się. Pomiar cefeidu znajduje się daleko po prawej stronie i nawet jego słupki błędów (słabe żółte bity, oznaczające zakres prawdopodobnych wartości) nie przechodzą przez przerywany okrąg. I to jest problem.
„W ciągu ostatnich kilku miesięcy w tej dziedzinie było dużo aktywności” - powiedziała Risa Wechsler, kosmolog z Uniwersytetu Stanforda, który nie był zaangażowany w ten artykuł. „Więc naprawdę miło jest widzieć wszystko podsumowane. Ujęcie w kategoriach H0 i Ωm, które są podstawowymi parametrami, jest naprawdę jasne.”
Jednak Wechsler powiedział Live Science, ważne jest, aby nie wyciągać żadnych wniosków.
„Ludzie są tym podekscytowani, ponieważ może to oznaczać, że pojawiła się nowa fizyka, a to byłoby naprawdę ekscytujące” - powiedziała.
Możliwe, że model CMB jest po prostu w jakiś sposób błędny, co prowadzi do pewnego rodzaju systematycznego błędu w zrozumieniu wszechświata przez fizyków.
„Wszyscy by to uwielbiali. Fizycy uwielbiają łamać swoje modele” - powiedział Wechsler. „Ale ten model jak dotąd działa całkiem dobrze, więc moim przełożonym jest to, że muszą istnieć dość mocne dowody, aby mnie przekonać”.
Badanie pokazuje, że trudno byłoby dopasować pomiar cefeidu z wszechświata lokalnego do wszystkich innych, wprowadzając tylko jeden nowy element fizyki, powiedział Mack.
Jest możliwe, powiedział Mack, że obliczenia supernowych-Cefeid są po prostu błędne. Może fizycy źle mierzą odległości w naszym wszechświecie lokalnym, co prowadzi do błędnych obliczeń. Powiedziała jednak, że trudno sobie wyobrazić, jakie byłyby te błędne obliczenia. Wielu astrofizyków mierzy od zera lokalne odległości i osiąga podobne wyniki. Jedną z możliwości, o której wspominali autorzy, jest to, że żyjemy w dziwnym kawałku wszechświata, w którym jest mniej galaktyk i grawitacji, więc nasze sąsiedztwo rozwija się szybciej niż wszechświat jako całość.
Powiedziała, że odpowiedź na problem może być tuż za rogiem. Ale bardziej prawdopodobne, że miną lata lub dekady.
„To albo coś nowego we wszechświecie, albo coś, czego nie rozumiemy na temat naszych pomiarów” - powiedziała.
Wechsler powiedziała, że postawiłaby na to drugie - że prawdopodobnie coś jest nie w porządku w słupkach błędów wokół niektórych zaangażowanych pomiarów i że po ich rozwiązaniu obraz będzie ładniej do siebie pasował.
Zbliżające się pomiary mogą wyjaśnić tę sprzeczność - wyjaśnienie jej lub podniesienie, sugerując, że konieczne jest nowe pole fizyki. Duży Synoptic Survey Telescope, który ma zostać udostępniony online w 2020 roku, powinien znaleźć setki milionów supernowych, co powinno znacznie poprawić zbiory danych, których używają astrofizyki do mierzenia odległości między galaktykami. W końcu, powiedział Mack, badania fal grawitacyjnych staną się wystarczająco dobre, aby ograniczyć również ekspansję wszechświata, co powinno dodać kolejny poziom precyzji kosmologii. Powiedziała, że w dalszej części drogi fizycy mogą opracować instrumenty wystarczająco czułe, aby obserwować, jak obiekty oddalają się od siebie w czasie rzeczywistym.
Ale na razie kosmolodzy wciąż czekają i zastanawiają się, dlaczego ich pomiary wszechświata nie mają sensu razem.
