FoodPro Preloader

Kosmisk konflikt: Divergerende data på universets utvidelse polariserer forskere


Spiralgalaksen NGC 4258, sett av Hubble Space Telescope. Studier av denne galaksen og mange andre tyder på at universet ekspanderer raskere enn forventet basert på standard kosmologiske modeller. Det som begynte som en debatt over astronomiske målinger, ligger i ferd med å bli en fullblåst krise i hvordan vi forstår kosmos. To d

Spiralgalaksen NGC 4258, sett av Hubble Space Telescope. Studier av denne galaksen og mange andre tyder på at universet ekspanderer raskere enn forventet basert på standard kosmologiske modeller.

Det som begynte som en debatt over astronomiske målinger, ligger i ferd med å bli en fullblåst krise i hvordan vi forstår kosmos. To datasett - en fra det nyfødte universet for nesten 14 milliarder år siden, den andre fra stjerner som vi ser dem i dag - gir motstridende svar på et sviktende enkelt spørsmål: Hvor fort er universet ekspanderende?

Avstanden mellom svarene er bare 9 prosent, men det overgår langt mer enn hvert datasettes estimerte usikkerheter. Forskere på hver side av gapet kaller det "spenningen" og graver i deres hæler om gyldigheten av observasjonene sine. Denne spenningen er ting av vitenskapelige drømmer og mareritt. Det hevder at et eller annet sted vår forståelse av naturens lover kan være fundamentalt feilaktig - med potensielt dype implikasjoner for fysikken, og kanskje til og med skjebnen til alle ting.

"Hvis spenningen ikke er en fluke og det ikke er en feil i måling, betyr det at vi mangler noe i våre modeller, " sier Adam Riess, astrofysiker ved Johns Hopkins University og Space Telescope Science Institute. "Å gjøre denne måling for tidlig univers og deretter sammenligne det med dagens er en slutt-til-ende-test av hele historien vi har konstruert om universet. Problemet er, hvis noe definitivt ikke passer, vet vi ikke hvor nøyaktig historien divergerer. "

Svaret på spørsmålet om universets ekspansjonshastighet er noe som kalles Hubble-konstanten, oppkalt etter astronomen Edwin Hubble, som i 1920-tallet oppdaget at universet ekspanderer. Galakser avtar fra oss i hastigheter proporsjonal med deres avstander, går raskere jo lengre unna de er. Hubble-konstanten kodifiserer dette forholdet mellom kosmiske avstander og hastigheter. Men ved å gjøre det avslører det mye mer, som gjør det ikke bare interessant for astronomer, men også for kosmologer og fysikere. Fordi konstanten representerer ekspansjonsfrekvensen på et hvilket som helst bestemt tidspunkt i universets lange historie, måler dens verdi over tid en ekspansiv utsikt over hvordan universet utvikler seg over ektene, og gir forskere avgjørende ledd til vår kosmiske opprinnelse og fremtid. På en eller annen måte vinket av tomrummet, føler milliarder av utadgående rytmende galakser også det kollektive tyngdekraften av alt i bakspeilet som prøver å rive dem tilbake. Hubble-konstanten gjenspeiler summen av alle ting i universet og kreftene som virker på det - veier inn på om tyngdekraften eller tomrummet til slutt vil vinne denne intergalaktiske slepebåten.

Universets innhold kan til slutt reversere ekspansjonen - et scenario kalt "stor knase", hvor tyngdekraften trekker alt tilbake til et uendelig varmt og tett punkt som den som fødte big bang. Eller universet kan stadig øke på ubestemt tid, vokse stadig kaldere og listløs i en "stor chill" som gir uendelig plass og tid - men i siste omgang svært lite å gjøre. Eller bare kanskje den kosmiske ekspansjonen vil øke dramatisk, bli så urolig at den sprer alle sine ryttere. Et slikt akselererende univers kunne tømme galakser, deretter stjerner, deretter planeter, atomer og subatomiske partikler til selv selve virkelighetsstykket splitter seg i sømene i en "stor rip" som etterlater nesten ingenting bak. Vil universet ende i ild, is eller tomhet? Hubble-konstanten vet, men til spenningen er løst, er svaret uklart.

Et Hubble Space Telescope-bilde av Cepheid-variabel stjernen RS Puppis. Astronomer bruker Cepheid-variabler samt supernovaer til å måle ekspansjonshastigheten til universet. Kreditt : NASA, ESA og Hubble Heritage Team

Supernova Shoe-Gazing

"Dette er det viktigste av de kosmologiske parametrene, " sier Wendy Freedman, en astrofysiker ved University of Chicago, som har tilbrakt sin karriere som driver Hubble-konstanten. "Det er ankeret fordi det har størst innvirkning på det største antall ting. Dette er en måling som virkelig betyr noe. "På 1990-tallet og tidlig på 2000-tallet ledet Freedman et team som brukte Hubble-romteleskopet til å gi det som var konstantens best-likevel målinger. Andre har siden blitt bedre på dem.

I det siste tiåret har Riess vært i forkant av den innsatsen, og leder et team av astronomer som bruker teleskoper på bakken og i rommet for å ytterligere forfinne estimater av Hubble-konstanten, i et prosjekt som heter SH0ES (spør ikke ).

SH0ES mål valg er eksploderende stjerner kalt type Ia supernovae. Disse eksploderende stjernene blinker med nesten identisk lysstyrke gjennom hele kosmos, noe som gjør dem til ideelle "standardlys" for å måle avstander til andre galakser. Ved å vite hvor sterk en type Ia egentlig er, mot hvor lyse det ser ut til å være i deres teleskoper, kan forskere beregne hvor mye plass ligger mellom jorden og den fjerne stjernens katastrofe. De kan også måle hver supernovas redshift-måten utvidelsen av rom mellom supernova og jord har strukket supernovas lys til lengre, røde bølgelengder. De estimerer deretter ekspansjonshastigheten ved å sammenligne redshifts og lysstyrken til mange supernovaer spredt over kosmos. For å kalibrere sine supernovae-målinger bruker SH0ES-teamet også et annet standardlys: Cepheid-variable stjerner, som periodisk pulserer i forhold til lysstyrken, og tilbyr overlegne avstandsmålinger i nærheten av Milky Way.

Sammenkobling av supernovene og Cepheid-dataene har gjort at SH0ES-teamet kan få stadig mer presise estimater for Hubble-konstanten, noe som reduserer målingens feilmargin fra 5 prosent i 2009 til bare 2, 4 prosent i 2016. Deres siste innsats, kalibrert ved hjelp av nye og forbedrede Cepheid distansdata fra det europeiske romfartsselskapets (ESA) Gaia-romfartøy, reduserer usikkerheten til 2, 2 prosent. Gjennom årene har SH0ES-teamets beregninger av Hubble-konstanten holdt seg bemerkelsesverdig konsistente: Ifølge supernovae og Cepheids ekspanderer universet med en hastighet på 73, 5 kilometer per sekund per megaparsek (ca. 3, 3 millioner lysår). Det er for hver 3, 3 millioner lysår mellom oss og en annen galakse, vil den sistnevnte avta fra oss 73, 5 kilometer per sekund raskere.

Spenningen stammer fra uavhengige målinger laget av et annet ESA-håndverk-Planck. Fra 2009 til 2013 opprettet Planck et eksempelt detaljert kart over den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB), ettergløden av big bangs primordiale ildkule fra da universet var bare 380.000 år gammelt. Planck-teamet avledet Hubble-konstanten fra den svarte tiden ved først å modellere størrelser og bevegelser av lydbølger som burde ha krøllet gjennom suppe av ladede partikler som fylte det tidlige universet. Deretter sammenlignet de estimatene med de faktiske ekkoene som ble skrevet på CMB. Sammenligningen ga både avstanden til CMB og de skalære dimensjonene av funksjonene, slik at Planck-teamet klarte det primordiale universets ekspansjonshastighet på bare 67, 3 kilometer per sekund per megaparsek. Det anslår, og den bemerkelsesverdige feilmarginen på bare 1 prosent, hengsler vesentlig på den veletablerte "standardmodellen" av kosmologi-en kludgelike teoretisk konstruksjon som robust forutser mange observerte egenskaper av både CMB og moderne kosmos.

"Dette er som barnelege måle og beregne at barnet ditt vil ende opp med å være seks meter høyt, men barnet ditt vokser til å være seks og en halv meter, " sier Riess. "Det betyr at noe annet skjer - kanskje barnet ditt hadde en vekstspurt eller fått hormoninjeksjoner. I dette tilfellet er det fysikken til vår beste kosmologiske modell som gir vekstdiagrammet. Men hvem skal si at vi faktisk har det riktig? "

Etter å ha bestått enda en test via Gaia Cepheid avstandsmålinger, sier Riess, at oddsene for SH0ES Hubble konstant måling er en statistisk fluke er bare en på 7000. Fysikere anser vanligvis en måling betydelig når den når den en-i-en-million sfære av statistisk sannsynlighet; For tiden er SH0ES-resultatene fortsatt korte på den høye standarden, men kommer nærmere hele tiden. I mellomtiden er ikke Planck-teamet budende heller; Gyldigheten av resultatet, gruppemedlemmene har konsekvent sagt, er praktisk talt utilgjengelig.

Planck-romfartøyet er helt himmelsk kart over variasjoner i kosmisk mikrobølgebakgrunn (CMB), det eldste observerbare lyset i universet. Estimater av universets ekspansjonsrate avledet fra Plancks datakonflikt med de fra supernovaer og andre kilder. Kreditt : ESA og Planck Collaboration

Utover standardmodellen

Dette er ikke første gang universets ekspansjon har flummoxed forskere. På 1920-tallet kom utvidelsen selv som et sjokk for de fleste forskere, spesielt Albert Einstein. I motsetning til hans preferanse for en statisk kosmos forutså Einsteins teori om generell relativitet et univers som uunngåelig ville ekspandere eller kollapse. For å "fikse" dette la han til et nytt uttrykk for sine beregninger: en slags antigravity suffusing all plass som kunne handle for å bevare universell likevekt. Einstein forkalte først den "den kosmologiske konstanten" - men senere kalte han på sin måte den "største blunderen", som følger Hubbles oppdagelse. Einsteins opprinnelige intuisjon ble tilsynelatende bekreftet begynnelsen på 1990-tallet, da Riess og andre astronomer fant fjernt type Ia-supernovaer, var dimmer (og dermed lenger unna) enn forventet. En mystisk "mørk energi" syntes å forårsake universets ekspansjon å akselerere; kanskje spekulerte mange fysikere, den mørke energien og den kosmologiske konstanten var en og den samme. Målinger fra CMB og andre kilder bekreftet raskt mørk energis eksistens om ikke dens eksakte natur, noe som resulterte i Riess og to andre som mottok Nobelprisen i fysikk i 2011.

Fordi effektene ville bli jevnt fordelt over hele rommet, da romutvidelsen ekspanderer, vil den kosmologiske konstanten bli kraftigere, og oppveie hastigheten til akselerasjon for å produsere enten en stor chill eller en stor rip som universets ultimate skjebne. Men det oppstod at det fortsatt ville bli kort av Hubble-konstanten SHOES-teamet og andre grupper observere i universet i dag. Så den nåværende spenningen Riess spekulerer på, kan skyldes at mørk energi ikke er Einsteins kosmologiske konstant i det hele tatt (selv om han bråker for å legge til slike scenarier, støttes ikke sterkt av observasjoner av galakser midtveis mellom CMB og nåtid). Hvis mørk energi ikke er Einsteins kosmologiske konstant, kan den potensielt brenne en enda raskere akselerasjon, noe som letter spenningen. I teorien kan en slik ikke-standard form for mørk energi også redusere eller til og med reversere dens effekter i fremtiden, og la muligheten for at universet fortsatt opplever en stor knase, åpne.

Andre spekulative forklaringer eksisterer for spenningen, hver og en annen vei forskere må følge gjennom labyrinten av muligheter som bestemmer den ultimate skjebnen til kosmos. De inkluderer som-uoppdagede varianter av raskt bevegelige subatomære partikler, påvirkning av skjulte "ekstra" dimensjoner, eller ulike interaksjoner med mørk materie, for bare å nevne noen. Det kan være at mer enn en type fysikk utover standardmodellen er i spill i den tilsynelatende spenningen mellom Hubble-konstante estimater fra motsatte ender av universet.

En sammensvergelse av feil?

Så igjen sier noen skeptikere, den mest sannsynlige forklaringen er bare feil i målingene. Planck-lagets partilinje har særlig vært at feil i kalibreringen av Cepheids og type Ia-supernovaer sannsynligvis skyldes spenningen.

"Vi vet ikke hva svaret er, men det er egentlig ingen teoretiske forklaringer som hopper ut på oss som svært rimelige", sier Lloyd Knox, et team fra Planck ved University of California, Davis. "Jeg snakket bare for meg selv, hvis jeg måtte legge penger på noe, vil jeg fortsatt gjette at spenningen er en systematisk feil i direkte måling av Hubble-konstanten [i det moderne universet]." For eksempel sier Knox blikklyset fra bakgrunnsstjerner i fjerne galakser kan forurense lysstyrkemålinger for Cepness, sabotere astronomernes rickety kosmiske avstandsstige nær basen og kaste av avhengige tiltak av større avstander. I motsetning til det, Knox og andre noterer, er Planck-teamets avledning av Hubble-konstanten rettet mot flere og ekstremt robuste uavhengige bevislinjer, for eksempel storskala klynger av galakser og de observerte forholdene mellom lyselementer som er generert i de første øyeblikkene etter det store smellet. Og Plancks resultater, knox sier, ble også nylig validert via oppfølging CMB studier ved hjelp av South Pole Telescope.

Riess hevder at gang på gang testene utført av SH0ES og andre lag har vist bakgrunnsstjerner ikke er en signifikant feilkilde i Cepheid-målinger. Videre kommer SH0ES-resultatet med et vell av dokumenter som styrker seg: Separat fra supernovaer og Cepheids, kommer andre målinger av Hubble-konstanten i dagens univers til en verdi nær 73, 5 funnet av SH0ES. I 2017 klarte et internasjonalt lag som heter H0LiCOW (igjen, ikke spør) å koble Hubble-konstanten til 72 kilometer per sekund per megaparsek. De gjorde det ved å måle de forsinkede ankomsttider av lysstråler fra fjerntliggende galakser, da strålingens forskjellige veier gjennom rommet ble forvrengt av massive galakser nærmere jorden.

Denne monteringen viser lys fra fem bakgrunnsgalaksier som forvrenges av massive forgrunnsgalaksier nærmere jorden. Forvrengningen fører til at bakgrunnsgalaksen vises som flere bilder. Forskere i H0LiCOW-samarbeidet studerte disse objektene for å gjøre en selvstendig måling av universets ekspansjon i tråd med tidligere estimater basert på supernovae og Cepheid-variabler. Kreditt : NASA, ESA, Hubble og Suyu et al

Det resultat, sier H0LiCOW-medarbeider Tommaso Treu, en astrofysiker ved Universitetet i California, Los Angeles, er basert utelukkende på grunnleggende geometri og Einsteins generelle relativitet - og er dermed helt uavhengig av faktorer som kan påvirke SH0ES eller Planck-målinger. "I kombinasjon med SH0ES-resultatet, gir dette bevis for spenningen, " sier Treu.

Sammenfattende vurderer Riess bevisene som støtter resultatet hans, til å være nesten overveldende. For at det skal være galt, sier han, ville kreve "en sammensvergelse av feil - flere feil, en for hver tilnærming, som er uavhengig, men av en eller annen ondskap i samme størrelse og i samme retning. Og som Einstein sa: 'Gud er subtil, men han er ikke ondsinnet.' "

David Spergel, en astrofysiker ved Princeton University og Flatiron Institute, mener det er på tide for lag på begge sider å erkjenne usikkerhet i dataene deres, kan være større enn tidligere antatt. "Historisk har begge astronomer og kosmologer undervurdert sine feil; Jeg tror det er sant for målingene her også, sier han.

En oppløsning kan være i horisonten. Spergel er en av de ledende forskerne som planlegger NASAs brede feltinfrarøde undersøkelseskommunikasjon (WFIRST), et romobservatorium som slated for å lansere i 2020-årene med et hovedmål for å studere mørk energi. ESA planlegger et lignende oppdrag, Euclid, som vil utfylle WFIRSTs studier. Disse oppdragene kan bidra til å løse spenningen ved å avklare om mørk energi oppfører seg som Einsteins kosmologiske konstant eller noe helt annet. NASAs James Webb Space Telescope, slated for å lansere så tidlig som 2020, kan også gi en skred av nye observasjoner for å begrense konstanten, slik vil Gaia-data utgis i 2020 og utover. Rundt samme tid vil andre nye teknikker trolig også modnes. Disse vil stole på undersøkelser av tidligere utilgjengelige stjernespopulasjoner eller til og med observasjoner av gravitasjonsbølger fra store antall kolliderende nøytronstjerner for å oppnå ytterligere uavhengige målinger av Hubble-konstanten.

For nå er spenningen fortsatt et figurativt og bokstavelig symbol på hvor fort vår forståelse av universet akselererer, og hvor langt vi fortsatt må gå.

Kilde for novel fugleinfluensa utbrud bestilt urentMaterialet forblir: Den evige utfordringen av søppelGolfbane som naturreservat: et sted for tiger og amfibierGiant Waves ødelegger raskt arktiske is og økosystemerGravity Measurements Bekreft Grønlands Glacier Precipitous MeltdownAmerikanske klimatdiplomater får fornyet sjanse til å finne felles jord med allierteFå feilene av genetisk modifiserte avlingerOverflodserfaring øker klimaendring