Obținem ceva greșit în privința universului.
Ar putea fi ceva mic: o problemă de măsurare care face ca anumite stele să fie mai apropiate sau mai îndepărtate decât sunt, ceva astrofizicieni ar putea repara cu câteva modificări pentru a măsura distanțele în spațiu. Ar putea fi ceva mare: o eroare - sau o serie de erori - în cosmologie, sau înțelegerea noastră despre originea și evoluția universului. Dacă acesta este cazul, întreaga noastră istorie de spațiu și timp poate fi încurcată. Oricare ar fi problema, face observații cheie ale universului în dezacord unul cu celălalt: Măsurată într-un fel, universul pare să se extindă cu un anumit ritm; măsurat într-un alt fel, universul pare să se extindă la un ritm diferit. Și, după cum arată o nouă lucrare, aceste discrepanțe s-au mărit în ultimii ani, chiar dacă măsurările au devenit mai precise.
"Credem că dacă înțelegerea noastră despre cosmologie este corectă, atunci toate aceste măsurători diferite ar trebui să ne ofere același răspuns", a spus Katie Mack, cosmolog teoretic la Universitatea de Stat din Carolina de Nord (NCSU) și coautor al noii lucrări. .
Cele mai faimoase două măsurători funcționează foarte diferit unele de altele. Primul se bazează pe fundalul cu microunde cosmic (CMB): restul de radiații cu microunde din primele momente după Big Bang. Cosmologii au construit modele teoretice ale întregii istorii a universului pe o fundație CMB - modele în care sunt foarte încrezători și care ar necesita o fizică complet nouă. Și luate împreună, a spus Mack, acestea produc un număr rezonabil de precis pentru constanta Hubble, sau H0, care guvernează cât de rapid se extinde universul în prezent.
A doua măsurare folosește supernovele și stele intermitente în galaxiile din apropiere, cunoscute sub denumirea de Cefeide. Prin măsurarea cât de departe sunt acele galaxii de la noi și cât de repede se îndepărtează de noi, astronomii au obținut ceea ce cred că este o măsurare foarte precisă a constantei Hubble. Iar această metodă oferă un alt H0.
„Dacă primim răspunsuri diferite, înseamnă că există ceva ce nu știm”, a spus Mack pentru Live Science. "Deci, este vorba doar de a nu înțelege doar ritmul actual de expansiune al universului - ceea ce ne interesează - ci să înțelegem cum a evoluat universul, cum a evoluat expansiunea și ce spațiu-timp a făcut toate acestea timp."
Weikang Lin, de asemenea cosmolog la NCSU și autorul principal al lucrării, a spus că pentru a dezvolta o imagine completă a problemei, echipa a decis să rotunjească toate diferitele moduri de „constrângere” a H0 într-un singur loc. Lucrarea nu a fost încă revizuită sau publicată în comun formal și este disponibilă pe serverul de preimprimare arXiv.
Iată ce înseamnă „constrângere”: Măsurătorile în fizică rareori răspund exact. În schimb, ele pun limite în limitele de răspunsuri posibile. Și examinând aceste constrângeri împreună, puteți afla multe despre ceea ce studiați. Privind printr-un telescop, de exemplu, s-ar putea să aflați că un punct de lumină în spațiu este fie roșu, galben sau portocaliu. Un altul vă poate spune că este mai luminos decât majoritatea celorlalte lumini din spațiu, dar mai puțin luminos decât soarele. Un altul îți poate spune că se mișcă pe cer la fel de repede pe o planetă. Niciuna dintre aceste constrângeri nu ți-ar spune multe de la sine, dar luate împreună sugerează că te uiți la Marte.
Lin, Mack și cel de-al treilea coautor lor, studentul absolvent al NCSU, Liqiang Hou, au analizat constrângerile pe două constante: H0 și ceva numit „fracția de masă” a universului, notată ca Ωm, care vă spune cât de mult din univers. este energie și cât de mult este materia. Multe măsurători ale H0 constrâng și Ωm, a spus Lin, așa că este util să le privim împreună.
Aceasta a produs acest complot colorat:
WMAP oval magenta întinsă marcată cu WMAP este gama de fracții de masă posibile și constante Hubble care au fost posibile pe baza unui studiu major NASA trecut al CMB, cunoscut sub numele de Wilkinson Microwave Anisotropy Sonda. Coloana galbenă cu eticheta CV SN (scurt pentru "Cefeid-Calibrat Tip-Ia Supernovee") se referă la măsurătorile Cepheid-supernove, care nu constrâng fracția de masă a universului, ci restricționează H0. Bara roșie etichetată SN P (scurt pentru „Tip-Ia Supernovee Pantheon”) este o constrângere majoră asupra fracției de masă a universului.
Puteți vedea că marginile WMAP și CV SN se suprapun, mai ales în afara barei roșii. Aceasta a fost imaginea discrepanței în urmă cu câțiva ani, Mack a spus: suficient de important pentru a vă face griji că cele două măsurători au dat răspunsuri diferite, dar nu atât de semnificative încât să le facă incompatibile cu o mică modificare.
Dar în ultimii ani a existat o nouă măsurare a CMB de la un grup numit Planck Collaboration. Planck Collaboration, care a lansat cel mai recent set de date în 2018, a pus restricții foarte stricte asupra fracției de masă și a ratei de expansiune a universului, notate de zvelta neagră de pe complotul etichetat Planck.
Acum, au scris autorii, apar două imagini sălbatic diferite ale universului. Planck și WMAP - împreună cu o serie de alte abordări pentru constrângerea H0 și Ωm - sunt mai mult sau mai puțin compatibile. Există un loc pe complot, în cercul de linii albe, unde toate oferă răspunsuri similare pentru cât de rapid se extinde universul și cât de mult din el este făcut din materie. Puteți vedea că aproape toate formele de pe complot trec prin acel cerc.
Dar cea mai directă măsurare, bazată pe studierea cât de departe sunt lucrurile în universul nostru local și cât de repede se mișcă, nu este de acord. Măsurarea cefeidă se află acolo, în dreapta, și nici măcar barele de eroare (bișii galbeni slabi, care indică gama de valori probabile) trec prin cercul punctat. Și asta este o problemă.
„În această zonă s-a desfășurat o mulțime de activități”, a spus Risa Wechsler, cosmologă la Universitatea Stanford, care nu a fost implicată în această lucrare. "Deci este foarte frumos să vedeți totul rezumat. Încadrarea în termeni de H0 și Ωm, care sunt parametri fundamentali, este chiar clarificatoare."
Cu toate acestea, Wechsler a spus la Live Science, este important să nu sari la nicio concluzie.
„Oamenii sunt entuziasmați de acest lucru pentru că ar putea însemna că există fizică nouă, iar asta ar fi cu adevărat interesant”, a spus ea.
Este posibil ca modelul CMB să fie greșit într-un fel și asta duce la un fel de eroare sistematică în modul în care fizicienii înțeleg universul.
„Toată lumea le-ar plăcea asta. Fizicienilor le place să își rupă modelele”, a spus Wechsler. „Dar acest model funcționează destul de bine până acum, așa că prioritatea mea este că trebuie să existe dovezi destul de puternice care să mă convingă”.
Studiul arată că ar fi dificil să se potrivească măsurarea cefeidă din universul local cu toate celelalte introducând doar o nouă piesă de fizică, a spus Mack.
Este posibil, a spus Mack, că calculul supernovas-Cefeid este greșit. Poate că fizicienii măsoară distanțele în universul nostru local greșit și asta duce la o eroare incorectă. Totuși, este greu să vă imaginați care ar fi această calculare, a spus ea. O mulțime de astrofizicieni au măsurat distanțele locale de la zero și au obținut rezultate similare. O posibilitate pe care au ridicat-o autorii este doar că trăim într-o bucată ciudată a universului unde există mai puține galaxii și mai puțină gravitație, astfel încât cartierul nostru se extinde mai repede decât universul în ansamblu.
Răspunsul la această problemă, a spus ea, ar putea fi chiar după colț. Dar mai probabil este la ani sau zeci de ani distanță.
„Este ceva nou în univers sau este ceva ce nu înțelegem despre măsurătorile noastre”, a spus ea.
Wechsler a spus că va paria pe aceasta din urmă - că probabil nu există ceva corect în ceea ce privește barele de eroare din jurul unora dintre măsurătorile implicate și că, odată rezolvate, imaginea se va potrivi mai bine.
Venirea măsurătorilor poate clarifica contradicția - fie explicând-o departe, fie sporind-o, ceea ce sugerează că este necesar un nou câmp de fizică. Telescopul de mare sondaj sinoptic, programat să vină online în 2020, ar trebui să găsească sute de milioane de supernove, ceea ce ar trebui să îmbunătățească mult seturile de date pe care astrofizicienii le folosesc pentru a măsura distanțele dintre galaxii. În cele din urmă, a spus Mack, studiile cu unde gravitaționale vor deveni suficient de bune pentru a restricționa extinderea universului, ceea ce ar trebui să adauge un alt nivel de precizie cosmologiei. În drum, a spus ea, fizicienii ar putea chiar să dezvolte instrumente suficient de sensibile pentru a privi obiectele să se extindă unele de altele în timp real.
Deocamdată cosmologii încă așteaptă și se întreabă de ce măsurătorile lor asupra universului nu au sens împreună.
