Universumi osoittautui vääräksi

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Kosmologit kohtaavat vakavan tieteellisen ongelman, joka osoittaa ihmisten tietämyksen epätäydellisyydestä maailmankaikkeudesta. Monimutkaisuus koskee niin näennäisesti triviaalia asiaa kuin maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. Tosiasia on, että eri menetelmät osoittavat erilaisia merkityksiä - ja toistaiseksi kukaan ei voi selittää outoa ristiriitaa.

Kosminen mysteeri

Tällä hetkellä tavallinen kosmologinen malli "Lambda-CDM" (ΛCDM) kuvaa tarkimmin maailmankaikkeuden kehitystä ja rakennetta. Tämän mallin mukaan maailmankaikkeudella on nollasta poikkeava positiivinen kosmologinen vakio (lambda-termi), joka aiheuttaa kiihdytettyä laajenemista. Lisäksi ΛCDM selittää CMB:n (kosmisen mikroaaltotaustan) havaitun rakenteen, galaksien jakautumisen universumissa, vedyn ja muiden kevyiden atomien runsauden sekä tyhjiön laajenemisnopeuden. Vakava ero laajenemisnopeudessa voi kuitenkin viitata siihen, että mallia on muutettava radikaalisti.

Teoreettinen fyysikko Vivian Poulin Ranskan kansallisesta tieteellisestä tutkimuskeskuksesta ja Montpellierin universumin ja hiukkasten laboratoriosta väittää, että tämä tarkoittaa seuraavaa: nuoressa universumissa on tapahtunut jotain tärkeää, josta emme vielä tiedä. Ehkä se oli ilmiö, joka liittyy tuntemattoman tyyppiseen pimeään energiaan tai uudenlaisiin subatomisiin hiukkasiin. Jos malli ottaa sen huomioon, ero katoaa.

Kriisin partaalla

Yksi tavoista määrittää maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on tutkia mikroaaltotaustaa - jäännössäteilyä, joka syntyi 380 tuhatta vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. ΛCDM:ää voidaan käyttää Hubble-vakion johtamiseen mittaamalla suuria vaihteluita CMB:ssä. Se osoittautui yhtä suureksi kuin 67, 4 kilometriä sekunnissa kutakin megaparsekkia kohti eli noin kolme miljoonaa valovuotta (tällä nopeudella esineet eroavat toisistaan sopivalla etäisyydellä). Tässä tapauksessa virhe on vain 0,5 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden.

Jos saamme suunnilleen saman arvon eri menetelmällä, tämä vahvistaa standardin kosmologisen mallin pätevyyden. Tutkijat mittasivat tavallisten kynttilöiden näennäisen kirkkauden - esineitä, joiden valoisuus on aina tiedossa. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi tyypin Ia supernovat - valkoiset kääpiöt, jotka eivät enää pysty imemään ainetta suurista seuralaistähdistä ja räjähtämään. Vakiokynttilöiden näennäisen kirkkauden perusteella voit määrittää etäisyyden niihin. Samanaikaisesti voit mitata supernovien punasiirtymää, eli valon aallonpituuksien siirtymää spektrin punaiselle alueelle. Mitä suurempi punasiirtymä, sitä suuremmalla nopeudella kohde poistetaan havainnolta.

Siten on mahdollista määrittää universumin laajenemisnopeus, joka tässä tapauksessa osoittautuu 74 kilometriä sekunnissa jokaiselle megaparsekille. Tämä ei vastaa ΛCDM:stä saatuja arvoja. On kuitenkin epätodennäköistä, että mittausvirhe voi selittää eroa.

David Grossin Kalifornian yliopiston Santa Barbaran teoreettisen fysiikan Kavli-instituutista hiukkasfysiikan alalla tällaista eroa ei kutsuttaisi ongelmaksi, vaan kriisiksi. Monet tutkijat olivat kuitenkin eri mieltä tästä arviosta. Tilannetta monimutkaisi toinen menetelmä, joka myös perustuu varhaisen universumin tutkimukseen, nimittäin baryoniset akustiset värähtelyt - varhaisen universumin täyttävän näkyvän aineen tiheyden värähtelyt. Nämä värähtelyt ovat plasmaakustisten aaltojen aiheuttamia, ja niiden mitat ovat aina tiedossa, joten ne näyttävät tavallisilta kynttililtä. Yhdessä muiden mittausten kanssa ne antavat Hubble-vakion, joka on yhdenmukainen ΛCDM:n kanssa.

Uusi malli

On mahdollista, että tutkijat tekivät virheen käyttäessään tyypin Ia supernovaa. Jotta voit määrittää etäisyyden kaukaiseen kohteeseen, sinun on rakennettava etäisyystikkaat.

Näiden tikkaiden ensimmäinen askelma on kefeidit - muuttuvat tähdet, joilla on tarkka jakso-valoisuussuhde. Kefeideillä voidaan määrittää etäisyys lähimpään tyypin Ia supernovaan. Yhdessä tutkimuksessa kefeidien sijasta käytettiin punaisia jättiläisiä, jotka saavuttavat tietyssä elämänvaiheessa maksimaalisen kirkkauden - se on sama kaikille punaisille jättiläisille.

Tämän seurauksena Hubble-vakio osoittautui 69,8 kilometriä sekunnissa megaparsekissa. Ei ole kriisiä, sanoo Wendy Freedman Chicagon yliopistosta, yksi paperin kirjoittajista.

Mutta tämä lausunto asetettiin myös kyseenalaiseksi. H0LiCOW-yhteistyö mittasi Hubble-vakiota käyttämällä gravitaatiolinssiä, vaikutusta, joka syntyy, kun massiivinen kappale taipuu takanaan olevan kaukaisen kohteen säteitä. Jälkimmäiset voivat olla kvasaareita - aktiivisten galaksien ytimiä, joita ruokkii supermassiivinen musta aukko. Gravitaatiolinssien ansiosta yhdestä kvasaarista voi ilmestyä useita kuvia kerralla. Mittaamalla näiden kuvien välkkymistä tiedemiehet ovat johtaneet päivitetyn Hubble-vakion 73,3 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden. Samanaikaisesti tutkijat eivät viimeiseen asti tienneet mahdollista tulosta, mikä sulkee pois petoksen mahdollisuuden.

Hubble-vakion mittaustulos luonnollisista masereista, jotka muodostuivat kaasun pyöriessä mustan aukon ympäri, osoittautui 74 kilometriä sekunnissa megaparsekkia kohden. Muut menetelmät antoivat 76,5 ja 73,6 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden. Ongelmia syntyy myös aineen jakautumisen mittaamisessa universumissa, koska gravitaatiolinssi antaa erilaisen arvon verrattuna mikroaaltotaustan mittauksiin.

Jos käy ilmi, että ero ei johdu mittausvirheistä, tarvitaan uusi teoria, joka selittää kaiken tällä hetkellä saatavilla olevan tiedon. Yksi mahdollinen ratkaisu on muuttaa pimeän energian määrää, mikä aiheuttaa maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen. Vaikka useimmat tutkijat kannattavat ilman fysiikan päivittämistä, ongelma on edelleen ratkaisematta.