Meillä on jotain vialla maailmankaikkeudessa.
Se voi olla jotain pientä: mittausongelma, joka saa tietyt tähdet näyttämään lähempänä tai kauempana kuin ne ovat, astrofysiikit voisivat korjata muutamalla säädöllä kuinka mitata etäisyyksiä avaruudesta. Se voi olla jotain suurta: virhe - tai virhesarja - kosmologiassa tai ymmärryksemme maailmankaikkeuden alkuperästä ja kehityksestä. Jos näin on, koko tilan ja ajan historiamme voi olla sekaisin. Mutta riippumatta siitä, mikä kysymys on, se tekee maailmankaikkeuden keskeisistä havainnoista eri mieltä toisistaan: Yhden suuntaisesti mitattuna maailmankaikkeus näyttää kasvavan tietyllä nopeudella; mitattuna toisella tavalla, maailmankaikkeus näyttää kasvavan eri nopeudella. Ja kuten uusi paperi osoittaa, nämä erot ovat kasvaneet viime vuosina, vaikka mittaukset ovat saaneet tarkempia.
"Me ajattelemme, että jos ymmärryksemme kosmologiasta on oikein, kaikkien näiden erilaisten mittausten pitäisi antaa meille sama vastaus", kertoi Katie Mack, teoreettinen kosmologi Pohjois-Carolinan osavaltion yliopistossa (NCSU) ja uuden kirjoituksen tekijä. .
Kaksi kuuluisinta mittausta toimivat hyvin eri tavalla toisistaan. Ensimmäinen vetoaa kosmiseen mikroaaltoäänitaustaan (CMB): mikroaaltosäteilyn jäljelle jäämiseen ensimmäisistä hetkeistä Ison räjähdyksen jälkeen. Kosmologit ovat rakentaneet CMB-pohjalle teoreettiset mallit koko maailmankaikkeuden historiasta - mallit, joihin he ovat erittäin varmoja ja jotka vaatisivat täysin uutta fysiikkaa murtautumaan. Ja yhdessä otettuna, Mack sanoi, ne tuottavat kohtuullisen tarkan luvun Hubble-vakion eli H0: n suhteen, joka hallitsee kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee.
Toisessa mittauksessa käytetään supernovoja ja vilkkuvia tähtiä lähellä olevissa galakseissa, joita kutsutaan kefeideiksi. Mittaamalla kuinka kaukana nuo galaksit ovat omastamme ja kuinka nopeasti ne siirtyvät pois meistä, tähtitieteilijät ovat saaneet sellaisen, jonka he uskovat olevan Hubble-vakion erittäin tarkka mittaus. Ja tämä menetelmä tarjoaa erilaisen H0: n.
"Jos saamme erilaisia vastauksia, se tarkoittaa, että on jotain, mitä emme tiedä", Mack kertoi Live Science: lle. "Joten kyse ei todellakaan ole pelkästään maailmankaikkeuden nykyisen laajentumisnopeuden ymmärtämisestä - josta olemme kiinnostuneita - vaan myös ymmärtää kuinka maailmankaikkeus on kehittynyt, miten laajentuminen on kehittynyt ja mitä avaruus-aika on tehnyt kaiken tämän aika."
Weikang Lin, myös NCSU: n kosmologi ja lehden pääkirjailija, kertoi, että kehittääkseen täydellisen kuvan ongelmasta ryhmä päätti pyöristää kaikki erilaiset tapoja "rajoittaa" H0: ta yhteen paikkaan. Paperi ei ole vielä virallisesti vertaisarvioitu tai julkaistu, ja se on saatavana esipainatuspalvelimella arXiv.
Tässä on mitä "rajoittaminen" tarkoittaa: Fysiikan mittaukset tuottavat harvoin tarkkoja vastauksia. Sen sijaan he asettavat rajat mahdollisille vastauksille. Ja tarkastelemalla näitä rajoituksia yhdessä, voit oppia paljon jostain tutkimasta. Esimerkiksi yhden kaukoputken läpi voi saada selville, että avaruuden valopiste on joko punainen, keltainen tai oranssi. Toinen saattaa kertoa, että se on kirkkaampi kuin useimmat muut avaruuden valot, mutta vähemmän kirkas kuin aurinko. Toinen saattaa kertoa, että se liikkuu taivaan yli yhtä nopeasti kuin planeetta. Yksikään näistä rajoituksista ei kerro sinulle paljon yksin, mutta yhdessä ne ehdottavat, että katsot Marsia.
Lin, Mack ja heidän kolmas avustajansa, NCSU: n jatko-opiskelija Liqiang Hou, tarkastelivat kahden vakion rajoituksia: H0, ja jotain, jota kutsutaan maailmankaikkeuden "massaosuudeksi", nimeltään Ωm, joka kertoo kuinka suuri osa maailmankaikkeudesta on energiaa ja kuinka paljon on ainetta. Monet H0-mittaukset rajoittavat myös Ωm, Lin sanoi, joten on hyödyllistä tarkastella niitä yhdessä.
Tämä tuotti tämän värikkään juonen:
Venytetty magentasoikea, merkitty WMAP on joukko mahdollisia massafraktioita ja Hubble-vakioita, jotka olivat aikaisemmin mahdollisia perustuen NASA: n aiempaan suureen tutkimukseen CMB: stä, joka tunnetaan nimellä Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Keltainen sarake, jolla on merkintä CV SN (lyhenne sanoista "Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae"), viittaa Cepheid-supernova-mittauksiin, jotka eivät rajoita maailmankaikkeuden massaosaa, mutta rajoittavat H0: ta. Punainen palkki, jossa on merkintä SN P (lyhenne sanoista "Type-Ia Supernovae Pantheon"), on merkittävä rajoitus maailmankaikkeuden massaosuudelle.
Voit nähdä, että WMAP: n ja CV SN: n reunat ovat päällekkäin, enimmäkseen punaisen palkin ulkopuolella. Se oli kuva muutama vuosi sitten ilmenneestä eroavuudesta, Mack sanoi: tarpeeksi merkittävä huolestuttavaksi siitä, että kaksi mittausta käänsivät erilaisia vastauksia, mutta eivät niin merkittäviä, että tekisivät niistä yhteensopimattomia pienen säätämisen kanssa.
Mutta viime vuosina Planck Collaboration -niminen ryhmä on tehnyt uuden mittauksen CMB: stä. Planck Collaboration, joka julkaisi uusimman tietojoukonsa vuonna 2018, asetti erittäin tiukat rajoitukset maailmankaikkeuden massaosuudelle ja laajentumisnopeudelle, jota merkitään mustalla liinalla Planck-merkittynä juoni.
Nyt kirjoittajat kirjoittivat, että kaksi villisti erilaista kuvaa maailmankaikkeudesta. Planck ja WMAP - samoin kuin joukko muita lähestymistapoja H0: n ja Ωm: n rajoittamiseen - ovat kaikki enemmän tai vähemmän yhteensopivia. Tontilla on paikka valkoisten viivojen ympyrässä, jossa ne kaikki sallivat samanlaisia vastauksia kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee ja kuinka suuri osa siitä on ainetta. Voit nähdä, että melkein kaikki juonen muodot kulkevat ympyrän läpi.
Mutta suorin mittaus, joka perustuu tosiasialliseen tutkimukseen siitä, kuinka kaukana asiat ovat paikallisessa universumissamme ja kuinka nopeasti ne liikkuvat, eivät ole samaa mieltä. Cepheid-mittaus on oikealla puolella, eikä edes sen virhepalkit (vaaleat keltaiset bitit, jotka osoittavat todennäköisten arvojen alueen) kulkevat katkoviivalla. Ja se on ongelma.
"Tällä alueella on ollut paljon toimintaa vain muutaman viime kuukauden aikana", kertoi Stanfordin yliopiston kosmologi Risa Wechsler, joka ei ollut mukana tässä tutkimuksessa. "Joten on todella hienoa nähdä kaikki yhteenveto. Sen muotoilu H0: n ja Ωm: n muodossa, jotka ovat perusparametreja, on todella selkeyttävä."
Silti Wechsler kertoi Live Science: lle, että on tärkeää olla hyppäämättä johtopäätöksiin.
"Ihmiset ovat innostuneita tästä, koska se voi tarkoittaa, että on olemassa uutta fysiikkaa, ja se olisi todella jännittävää", hän sanoi.
On mahdollista, että CMB-malli on vain jollain tavalla väärässä, ja se johtaa jonkinlaiseen systemaattiseen virheeseen, kun fyysikot ymmärtävät maailmankaikkeuden.
"Kaikki rakastavat sitä. Fyysikot rakastavat rikkoa mallejaan", Wechsler sanoi. "Mutta tämä malli toimii toistaiseksi melko hyvin, joten ajatukseni on, että minun on vakuutettava melko vahvoja todisteita."
Tutkimus osoittaa, että olisi vaikea sovittaa paikallisen maailmankaikkeuden kefeidimittauksia kaikkien muiden kanssa ottamalla käyttöön vain yksi uusi fysiikan pala, Mack sanoi.
On mahdollista, Mack sanoi, että supernovas-Cepheid -laskelma on vain väärin. Ehkä fyysikot mittaavat etäisyyksiä paikallisessa universumissamme väärin, ja se johtaa väärään laskelmaan. On vaikea kuvitella, mikä tämä virheellinen lasku olisi, hän sanoi. Monet astrofysiikot ovat mitanneet paikalliset etäisyydet alusta alkaen ja tulleet samanlaisiin tuloksiin. Yksi mahdollisuus, jonka kirjoittajat esittivät, on vain se, että elämme omituisessa maailmankaikkeuden kappaleessa, jossa on vähemmän galakseja ja vähemmän painovoimaa, joten naapurimaamme laajenee nopeammin kuin maailmankaikkeus kokonaisuutena.
Hänen mukaansa vastaus ongelmaan voisi olla aivan nurkan takana. Mutta todennäköisemmin se on vuosien tai vuosikymmenien päässä.
"Se on joko jotain uutta maailmankaikkeudessa tai jotain, jota emme ymmärrä mittauksistamme", hän sanoi.
Wechsler kertoi vetoavansa jälkimmäiseen - että joidenkin mittausten ympärillä olevissa virhepalikoissa on todennäköisesti jotain vikaa, ja että kun ne on ratkaistu, kuva sopii paremmin yhteen.
Tulokset voivat selventää ristiriitaa - joko selittää se tai lisätä sitä, ehdottaa uutta fysiikan alaa. Suuren Synoptic Survey -teleskoopin, jonka on tarkoitus tulla verkkoon vuonna 2020, pitäisi löytää satoja miljoonia supernovoja, joiden pitäisi parantaa huomattavasti tietokokonaisuuksia, joita astrofysiikit käyttävät galaksien välisten etäisyyksien mittaamiseen. Lopulta, Mackin mukaan, gravitaatioaaltotutkimukset tulevat tarpeeksi hyviä rajoittamaan myös maailmankaikkeuden laajentumista, minkä pitäisi lisätä kosmologiaan toinen tarkkuustaso. Tiellä hän sanoi, että fyysikot saattavat jopa kehittää instrumentteja, jotka ovat riittävän herkkiä seuraamaan esineiden laajenemista toisistaan reaaliajassa.
Mutta tällä hetkellä kosmologit odottavat edelleen ja ihmettelevät, miksi heidän mittauksillaan maailmankaikkeudella ei ole järkeä yhdessä.
