Meil on universumis midagi valesti.
See võib olla midagi väikest: mõõtmisprobleem, mis paneb teatud tähed paistma lähemal või kaugemal kui nad on, võiks astrofüüsikud kinnitada mõne näpuga, kuidas mõõta vahemaad ruumis. See võib olla midagi suurt: viga - või vigade seeria - kosmoloogias või meie arusaam universumi päritolust ja arengust. Kui see nii on, võib kogu meie ruumi ja aja ajalugu segi minna. Kuid olenemata sellest, milles asi seisneb, paneb see universumi peamised tähelepanekud omavahel lahknema: Mõõdetuna ühel viisil näib universum laienev teatud kiirusega; teisiti mõõdetuna näib, et universum laieneb erineva kiirusega. Ja nagu uus paber näitab, on need erinevused viimastel aastatel suurenenud, isegi kui mõõtmised on muutunud täpsemaks.
"Me arvame, et kui meie arusaam kosmoloogiast on õige, peaksid kõik need erinevad mõõtmised andma meile sama vastuse," ütles Katie Mack, Põhja-Carolina Riikliku Ülikooli (NCSU) teoreetiline kosmoloog ja uue raamatu kaasautor. .
Kaks kõige kuulsamat mõõtmist toimivad üksteisest väga erinevalt. Esimene põhineb kosmilisel mikrolaine taustal (CMB): mikrolainekiirguse jääk esimestel hetkedel pärast Suurt Pauku. Kosmoloogid on CMB alusele ehitanud kogu universumi ajaloo teoreetilised mudelid - mudelid, milles nad on väga kindlad ja mille purunemiseks oleks vaja täiesti uut füüsikat. Ja Mack ütles, et nad annavad Hubble'i konstandi ehk H0 jaoks üsna täpse arvu, mis reguleerib, kui kiiresti universum praegu laieneb.
Teises mõõtmises kasutatakse lähedastes galaktikates supernoovasid ja vilkuvaid tähti, mida nimetatakse kefidideks. Hinnates seda, kui kaugel need galaktikad on meie omadest ja kui kiiresti nad meist eemalduvad, on astronoomid saanud selle, mis nende arvates on Hubble'i konstandi väga täpne mõõtmine. Ja see meetod pakub erinevat H0.
"Kui saame erinevaid vastuseid, tähendab see, et on midagi, mida me ei tea," rääkis Mack Live Science'ile. "Nii et see ei seisne tegelikult mitte ainult universumi praeguse laienemiskiiruse mõistmises - mis on midagi, mis meid huvitab -, vaid ka mõistmises, kuidas universum on arenenud, kuidas laienemine on arenenud ja mida kosmose-aeg on seda kõike teinud aeg ".
Weikang Lin, kes oli ka NCSU kosmoloog ja kirjutise autor, ütles, et probleemist täieliku pildi saamiseks otsustas meeskond ümardada kõik erinevad viisid H0 "piiramiseks" ühest kohast. Paber ei ole veel ametlikult eelretsenseeritud ega avaldatud ning on saadaval eeltrükiserveris arXiv.
Mida tähendab "kitsendamine": füüsika mõõtmised annavad harva täpseid vastuseid. Selle asemel piiravad nad võimalike vastuste valikut. Ja vaadates neid piiranguid koos, saate õppida palju midagi, mida uurite. Näiteks ühest teleskoobist vaadates võite saada teada, et kosmose valguse punkt on kas punane, kollane või oranž. Teine võib teile öelda, et see on eredam kui enamus teisi kosmosevalgustusi, kuid vähem ere kui päike. Teine võib teile öelda, et ta liigub üle taeva sama kiiresti kui planeet. Ükski neist piirangutest ei ütleks teile üksi, kuid kokku võttes soovitavad nad vaadata Marsi.
Lin, Mack ja nende kolmas kaasautor, NCSU kraadiõppur Liqiang Hou vaatasid kahe konstandi piiranguid: H0 ja midagi, mida nimetatakse universumi massifraktsiooniks, tähistatud kui Ωm, mis ütleb teile, kui suur osa universumist on energia ja kui palju on ainet. Lin väitis, et paljud H0 mõõtmised piiravad ka Ωm, seega on kasulik neid koos vaadata.
Sellest sündis see värvikas süžee:
Venitatud magenta ovaalne märgistus WMAP on võimalike massifraktsioonide ja Hubble'i konstandite vahemik, mis varem olid NASA varasema ulatusliku CMB uuringu põhjal tuntud kui Wilkinsoni mikrolaine anisotroopiaandur. Kollane veerg sildiga CV SN (lühendatult "Cepheid-Calibrated-Ia Supernovae") viitab Cepheidi supernoova mõõtmistele, mis ei piira universumi massifraktsiooni, kuid piiravad H0. Punane riba, millel on silt SN P (lühendatult "Ia Supernovae Pantheon"), on universumi massifraktsiooni peamine piirang.
Näete, et WMAP ja CV SN servad kattuvad, enamasti väljaspool punast riba. See oli pilt mõne aasta tagustest erinevustest, ütles Mack: piisavalt oluline, et muretseda, et kaks mõõtmist olid erinevad vastused, kuid mitte nii märkimisväärsed, et muuta need väikese täpsustamisega kokkusobimatuks.
Kuid viimastel aastatel on KMA uus mõõtmine toimunud rühmas Plancki koostöö. 2018. aastal oma värskeima andmekogumi välja andnud Plancki koostöö seadis universumi massifraktsioonile ja paisumiskiirusele väga ranged piirangud, mida tähistas Plancki tähistatud krundil olev must viil.
Autorid kirjutasid nüüd, et ilmnevad kaks metsikult erinevat pilti universumist. Planck ja WMAP koos paljude muude lähenemisviisidega H0 ja Ωm piiramiseks on kõik enam-vähem ühilduvad. Krundil on koht valgete kriipsude ringis, kus nad kõik võimaldavad saada sarnaseid vastuseid selle kohta, kui kiiresti universum laieneb ja kui palju sellest koosneb mateeria. Näete, et peaaegu kõik krundi kujundid läbivad selle ringi.
Kuid otseseim mõõtmine, mis põhineb tegelikult uurimisel, kui kaugel asjad on meie kohalikus universumis ja kui kiiresti need liiguvad, pole nõus. Cepheidi mõõtmine on paremal pool ja isegi selle vearibad (kahvatukollased bitid, tähistades tõenäoliste väärtuste vahemikku) ei lähe läbi kriipsutatud ringi. Ja see on probleem.
"Selles valdkonnas on viimase paari kuu jooksul olnud palju tegevust," ütles Stanfordi ülikooli kosmoloog Risa Wechsler, kes selle paberiga ei tegelenud. "Nii et on tõesti väga tore kõike näha kokkuvõtlikult. Selle kujundamine H0 ja Ωm järgi, mis on põhiparameetrid, on tõesti selgitav."
Siiski ütles Wechsler Live Science'ile, et on oluline mitte mingeid järeldusi teha.
"Inimesed on sellest vaimustuses, sest see võib tähendada, et on olemas uus füüsika, ja see oleks tõesti põnev," sõnas naine.
Võimalik, et CMB mudel on mingil moel ekslik ja see põhjustab mingisuguse süstemaatilise vea selles, kuidas füüsikud mõistavad universumit.
"Kõigile meeldiks see. Füüsikud armastavad oma mudeleid murda," sõnas Wechsler. "Kuid see mudel töötab siiani üsna hästi, nii et minu eeldus on, et minu veenmiseks peab olema piisavalt tugevaid tõendeid."
Uuring näitab, et ainult ühe uue füüsikaosa tutvustamisega oleks keeruline kohalikus universumis asuva Cepheidi mõõtmist kõigi teistega sobitada, ütles Mack.
On võimalik, ütles Mack, et supernoovade-Cepheidi arvutus on lihtsalt vale. Võib-olla mõõdavad füüsikud meie kohalikus universumis vahemaid valesti ja see toob kaasa valearvestuse. Raske on ette kujutada, mis see valearvestus endast kujutaks, ütles ta. Paljud astrofüüsikud on mõõtnud kohalikke vahemaid nullist ja jõudnud sarnaste tulemustega. Üks võimalus, mille autorid tõstatasid, on lihtsalt see, et elame universumi veidras tükis, kus on vähem galaktikaid ja vähem gravitatsiooni, nii et meie naabruskond laieneb kiiremini kui universum tervikuna.
Naise sõnul võib probleemile vastata vaid nurga taga. Kuid tõenäolisemalt on see aastate või aastakümnete kaugusel.
"See on kas midagi uut universumis või midagi sellist, millest me oma mõõtmistest aru ei saa," sõnas naine.
Wechsler ütles, et panustab viimasele - et mõnede mõõtmistega seotud vearibude puhul on ilmselt midagi valesti ja et kui need on lahendatud, sobib pilt paremini kokku.
Tulevad mõõtmised võivad selgitada vastuolu - kas selgitada seda lahti või suurendada seda, on vaja soovitada uut füüsikavaldkonda. 2020. aastal võrku jõudmiseks kavandatud suures sünoptiliste uuringute teleskoobis peaks leiduma sadu miljoneid supernoovasid, mis peaksid tohutult täiustama andmekogumeid, mida astrofüüsikud kasutavad galaktikate vahelise kauguse mõõtmiseks. Lõpuks, Mack ütles, saavad gravitatsioonilainete uuringud piisavalt head, et piirata ka universumi laienemist, mis peaks kosmoloogiale lisama veel ühe täpsustaseme. Tema sõnul võiksid füüsikud arendada isegi piisavalt tundlikke instrumente, et jälgida objektide reaalajas laienemist.
Kuid praegu ootavad kosmoloogid endiselt ja mõtlevad, miks pole neil universumi mõõtmistel mõtet koos olla.
