Nekaj smo narobe glede vesolja.
Morda je to nekaj malega: težava z meritvami, zaradi katere so nekatere zvezde videti bližje ali dlje od njih, nekaj, kar bi astrofiziki lahko odpravili z nekaj potegom, kako merijo razdalje v vesolju. Morda je nekaj velikega: napaka - ali vrsta napak - v kozmologiji ali naše razumevanje nastanka in evolucije vesolja. Če je tako, se lahko zmeša naša celotna zgodovina prostora in časa. Kljub temu pa se ključna opažanja vesolja ne strinjajo med seboj: merjeno na en način se zdi, da se vesolje širi z določeno hitrostjo; merjeno na drug način, zdi se, da se vesolje širi z drugačno hitrostjo. Kot je razvidno iz novega prispevka, so se ta neskladja v zadnjih letih povečala, tudi ko so meritve postale natančnejše.
"Menimo, da če bi bilo naše razumevanje kozmologije pravilno, potem bi morale vse te različne meritve dati enak odgovor," je dejala Katie Mack, teoretična kozmologinja na zvezni državni zvezni državi North Carolina (NCSU) in soavtorica novega prispevka .
Dve najbolj znani meritvi delujeta med seboj zelo različno. Prvi temelji na kozmičnem mikrovalovnem ozadju (CMB): ostanku mikrovalovnega sevanja od prvih trenutkov po velikem udaru. Kozmologi so na podlagi CMB zgradili teoretične modele celotne zgodovine vesolja - modele, v katere so zelo prepričani, in za to bi bila potrebna povsem nova fizika. In skupaj, je dejal Mack, dajejo relativno natančno število za Hubble konstanto ali H0, ki določa, kako hitro se vesolje trenutno širi.
Druga meritev uporablja supernove in utripajoče zvezde v bližnjih galaksijah, znanih kot Cefeidi. Ko so ugotovili, kako daleč so te galaksije od naših in kako hitro se odmikajo od nas, so astronomi dobili, kar verjamejo, zelo natančno merjenje Hubble-ove konstante. In ta metoda ponuja drugačen H0.
"Če dobivamo različne odgovore, to pomeni, da obstaja nekaj, česar ne vemo," je Mack povedal Live Science. "Torej ne gre samo za razumevanje trenutne stopnje širjenja vesolja - kar nas zanima - ampak razumevanje, kako se je vesolje razvijalo, kako se je razširilo in kaj vesoljski čas počne vse to čas. "
Weikang Lin, tudi kozmolog na NCSU in glavni avtor prispevka, je povedal, da se je ekipa odločila, da bo vse različne načine "omejevanja" H0 zaokrožila na enem mestu. Dokument še ni bil pregledan ali objavljen in je na voljo na strežniku za tisk arXiv.
Evo, kaj pomeni "omejevanje": Meritve v fiziki le redko dobijo natančne odgovore. Namesto tega postavljajo omejitve na obseg možnih odgovorov. Če si skupaj ogledate te omejitve, se lahko veliko naučite o nečem, kar študirate. Na primer, če pogledate skozi en teleskop, boste morda izvedeli, da je svetlobna točka rdeča, rumena ali oranžna. Lahko vam pove, da je svetlejša od večine drugih luči v vesolju, vendar manj svetla od sonca. Še ena oseba bi vam lahko povedala, da se po planetu giblje tako hitro kot planet. Nobena od teh omejitev vam ne bi povedala veliko sami, toda če upoštevamo, vse skupaj kaže, da si ogledujete Mars.
Lin, Mack in njihov tretji soavtor, podiplomski študent NCSU Liqiang Hou, so pogledali omejitve dveh konstant: H0 in nekaj, kar se imenuje "masni delež" vesolja, označeno kot Ωm, kar vam pove, koliko vesolja je energija in koliko je stvar. Številne meritve H0 prav tako omejujejo Ωm, je dejal Lin, zato je koristno, da jih pogledamo skupaj.
To je ustvarilo to barvito ploskev:
Raztegnjena magenta ovalna oznaka WMAP je obseg možnih masnih frakcij in Hubblove konstante, ki je bil včasih mogoč na podlagi velike pretekle NASA-ine študije CMB, znane kot Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Rumeni stolpec z oznako CV SN (okrajšava za Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae) se nanaša na meritve cefidov-supernov, ki ne omejujejo masnega deleža vesolja, ampak omejujejo H0. Rdeča palica z oznako SN P (skratka za "Type-Ia Supernovae Panteon") je glavna omejitev množičnega deleža vesolja.
Vidite, da se robovi WMAP in CV SN prekrivajo, večinoma zunaj rdeče vrstice. To je bila slika neskladja pred nekaj leti, Mack je dejal: Dovolj pomembno, da skrbimo, da obe meritvi prikazujeta različne odgovore, vendar ne tako pomembne, da bi ju naredili nezdružljive z malo nastavitve.
Toda v zadnjih letih je prišlo do novega merjenja CMB iz skupine, imenovane Planck Collaboration. Sodelovanje pri Plancku, ki je leta 2018 objavilo svoj najnovejši nabor podatkov, je postavilo zelo stroge omejitve glede masnega deleža in hitrosti širjenja vesolja, ki jih označuje črni drsnik na ploskvi z oznako Planck.
Zdaj, pišejo avtorji, nastajajo dve divje različni sliki vesolja. Planck in WMAP - skupaj z vrsto drugih pristopov k omejevanju H0 in Ωm - so bolj ali manj združljivi. Na ploskvi je mesto v krogu belih črtic, kjer vsi omogočajo podobne odgovore o tem, kako hitro se vesolje širi in koliko od njega je sestavljeno iz snovi. Vidite, da skoraj vse oblike na ploskvi gredo skozi ta krog.
Toda najbolj neposredno merjenje, ki temelji na tem, da dejansko preučimo, kako daleč so stvari v našem lokalnem vesolju in kako hitro se premikajo, se ne strinja. Meritev Cefeida je tam na desni strani in skozi črtkani krog ne gredo niti njene črte napak (blede rumene bite, ki označujejo obseg verjetnih vrednosti). In to je težava.
"V zadnjih nekaj mesecih je bilo na tem področju veliko dejavnosti," je povedala Risa Wechsler, kozmologinja na univerzi Stanford, ki ni bila vključena v ta prispevek. "Torej je res lepo videti, da je vse povzeto. Uokvirjanje v smislu H0 in Ωm, ki sta temeljna parametra, je res razjasnljivo."
Kljub temu je Wechsler povedal Live Science, da je pomembno, da ne skočite na nobene zaključke.
"Ljudje so nad tem navdušeni, ker bi to lahko pomenilo, da obstaja nova fizika in to bi bilo resnično vznemirljivo," je dejala.
Mogoče je, da je model CMB na nek način napačen in to vodi do neke vrste sistematične napake v tem, kako fiziki razumejo vesolje.
"Vsi bi radi to. Fiziki radi razbijajo svoje modele," je dejal Wechsler. "Toda ta model do zdaj deluje precej dobro, zato je moja prioriteta, da je treba prepričati precej močnih dokazov."
Študija kaže, da bi bilo težko uvesti merjenje cefida iz lokalnega vesolja z vsemi drugimi, če bi uvedli samo en nov fizik, je dejal Mack.
Mack je dejal, da je izračun supernove-cefeida ravno napačen. Mogoče fiziki napačno merijo razdalje v našem lokalnem vesolju in to vodi v napačno računanje. Težko si je predstavljati, kaj bi bila ta napačna izračun, čeprav je dejala. Številni astrofiziki so izmerili lokalne razdalje iz nič in dosegli podobne rezultate. Ena od možnosti, ki so jo avtorji izpostavili, je ravno ta, da živimo v čudnem koščku vesolja, kjer je manj galaksij in manj gravitacije, zato se naša soseska širi hitreje kot vesolje kot celota.
Odgovor na težavo je, je dejala, lahko tik za vogalom. A bolj verjetno je, da minejo leta ali desetletja.
"To je ali nekaj novega v vesolju ali pa je nekaj, česar pri naših meritvah ne razumemo," je dejala.
Wechsler je dejala, da bi stavila na slednje - da verjetno ni nekaj v redu glede napak napak pri nekaterih meritvah in da se bo, ko bodo le-te odpravljene, slika lepše ujemala.
Z meritvami lahko pojasni protislovje - bodisi ga razloži bodisi poostri, kar kaže, da je potrebno novo področje fizike. V teleskopu velike sinoptične raziskave, ki naj bi na spletu prišel leta 2020, naj bi našli stotine milijonov supernov, kar bi moralo močno izboljšati nabore podatkov, ki jih astrofiziki uporabljajo za merjenje razdalj med galaksijami. Sčasoma, je dejal Mack, bodo študije gravitacijskih valov dovolj dobre, da bodo omejile tudi širitev vesolja, kar bi moralo dodati še eno stopnjo natančnosti kozmologiji. Po njenem mnenju lahko fiziki celo razvijejo instrumente, ki so dovolj občutljivi, da opazujejo, kako se predmeti v realnem času širijo drug od drugega.
A kozmologi zaenkrat še čakajo in se sprašujejo, zakaj njihove meritve vesolja nimajo smisla skupaj.
