Universet viste seg å være feil

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Kosmologer står overfor et alvorlig vitenskapelig problem, som indikerer ufullkommenhet i menneskelig kunnskap om universet. Kompleksiteten angår en så tilsynelatende triviell ting som ekspansjonshastigheten til universet. Faktum er at ulike metoder indikerer ulike betydninger – og så langt kan ingen forklare det merkelige avviket.

Kosmisk mysterium

For tiden beskriver den standard kosmologiske modellen "Lambda-CDM" (ΛCDM) mest nøyaktig universets evolusjon og struktur. I følge denne modellen har universet en positiv kosmologisk konstant som ikke er null (lambda-term) som forårsaker akselerert ekspansjon. I tillegg forklarer ΛCDM den observerte strukturen til CMB (kosmisk mikrobølgebakgrunn), fordelingen av galakser i universet, overfloden av hydrogen og andre lette atomer, og selve hastigheten på vakuumutvidelsen. Et alvorlig avvik i ekspansjonshastigheten kan imidlertid tyde på behovet for en radikal endring i modellen.

Den teoretiske fysikeren Vivian Poulin fra det franske nasjonale senteret for vitenskapelig forskning og Laboratoriet for universet og partikler i Montpellier argumenterer for at dette betyr følgende: noe viktig har skjedd i det unge universet som vi ennå ikke vet om. Kanskje var det et fenomen assosiert med en ukjent type mørk energi eller en ny type subatomære partikler. Hvis modellen tar hensyn til det, vil avviket forsvinne.

På randen av en krise

En av måtene å bestemme universets utvidelseshastighet er å studere mikrobølgebakgrunnen - relikviestrålingen som oppsto 380 tusen år etter Big Bang. ΛCDM kan brukes til å utlede Hubble-konstanten ved å måle store fluktuasjoner i CMB. Det viste seg å være lik 67, 4 kilometer per sekund for hver megaparsek, eller omtrent tre millioner lysår (ved en slik hastighet avviker objekter fra hverandre i passende avstand). I dette tilfellet er feilen bare 0,5 kilometer per sekund per megaparsek.

Hvis vi får omtrent samme verdi ved å bruke en annen metode, vil dette bekrefte gyldigheten til den standard kosmologiske modellen. Forskere målte den tilsynelatende lysstyrken til standard stearinlys - objekter hvis lysstyrke alltid er kjent. Slike objekter er for eksempel supernovaer av type Ia – hvite dverger som ikke lenger kan absorbere materie fra store følgestjerner og eksplodere. Ved den tilsynelatende lysstyrken til standard stearinlys kan du bestemme avstanden til dem. Parallelt kan du måle rødforskyvningen til supernovaer, det vil si forskyvningen av lysets bølgelengder til det røde området av spekteret. Jo større rødforskyvning, desto større hastighet blir gjenstanden fjernet fra observatøren.

Dermed blir det mulig å bestemme utvidelseshastigheten til universet, som i dette tilfellet viser seg å være lik 74 kilometer per sekund for hver megaparsek. Dette samsvarer ikke med verdiene hentet fra ΛCDM. Det er imidlertid lite sannsynlig at en målefeil kan forklare avviket.

I følge David Gross fra Kavli Institute for Theoretical Physics ved University of California, Santa Barbara, i partikkelfysikk vil en slik avvik ikke bli kalt et problem, men en krise. En rekke forskere var imidlertid uenige i denne vurderingen. Situasjonen ble komplisert av en annen metode, som også er basert på studiet av det tidlige universet, nemlig baryoniske akustiske oscillasjoner - svingninger i tettheten av synlig materie som fyller det tidlige universet. Disse vibrasjonene er forårsaket av akustiske plasmabølger og er alltid av kjente dimensjoner, noe som gjør at de ser ut som standard stearinlys. Kombinert med andre målinger gir de Hubble-konstanten i samsvar med ΛCDM.

Ny modell

Det er en mulighet for at forskere gjorde en feil når de brukte Type Ia-supernovaer. For å bestemme avstanden til et fjernt objekt, må du bygge en avstandsstige.

Det første trinnet på denne stigen er Cepheidene - variable stjerner med et nøyaktig periode-lysstyrkeforhold. Cepheider kan brukes til å bestemme avstanden til nærmeste supernovaer av type Ia. I en av studiene ble det brukt røde kjemper i stedet for Cepheider, som på et visst stadium av livet når maksimal lysstyrke - det er det samme for alle røde kjemper.

Som et resultat viste Hubble-konstanten å være 69,8 kilometer per sekund per megaparsek. Det er ingen krise, sier Wendy Freedman ved University of Chicago, en av forfatterne av papiret.

Men dette utsagnet ble også satt i tvil. H0LiCOW-samarbeidet målte Hubble-konstanten ved hjelp av gravitasjonslinser, en effekt som oppstår når en massiv kropp bøyer stråler fra et fjerntliggende objekt bak seg. Sistnevnte kan være kvasarer - kjernene til aktive galakser matet av et supermassivt sort hull. På grunn av gravitasjonslinser kan flere bilder av én kvasar vises samtidig. Ved å måle flimmeret til disse bildene har forskere utledet en oppdatert Hubble-konstant på 73,3 kilometer per sekund per megaparsek. Samtidig visste ikke forskere til den siste det mulige resultatet, noe som utelukker muligheten for svindel.

Resultatet av å måle Hubble-konstanten fra naturlige masere dannet når gass roterer rundt et svart hull viste seg å være 74 kilometer per sekund per megaparsek. Andre metoder ga 76,5 og 73,6 kilometer per sekund per megaparsek. Det oppstår også problemer med å måle fordeling av materie i universet, siden gravitasjonslinser gir en annen verdi sammenlignet med målinger av mikrobølgebakgrunnen.

Hvis det viser seg at avviket ikke skyldes målefeil, vil det kreves en ny teori for å forklare alle data som er tilgjengelige for øyeblikket. En mulig løsning er å endre mengden mørk energi som forårsaker den akselererte utvidelsen av universet. Selv om de fleste forskere er for å gjøre uten å oppdatere fysikk, er problemet fortsatt uløst.