Universum visade sig ha fel

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Kosmologer står inför ett allvarligt vetenskapligt problem, vilket indikerar ofullkomligheten i mänsklig kunskap om universum. Komplexiteten gäller en sådan till synes trivial sak som universums expansionshastighet. Faktum är att olika metoder indikerar olika betydelser – och än så länge kan ingen förklara den märkliga diskrepansen.

Kosmiskt mysterium

För närvarande beskriver den vanliga kosmologiska modellen "Lambda-CDM" (ΛCDM) mest exakt universums utveckling och struktur. Enligt denna modell har universum en positiv kosmologisk konstant som inte är noll (lambda-term) som orsakar accelererad expansion. Dessutom förklarar ΛCDM den observerade strukturen hos CMB (kosmisk mikrovågsbakgrund), fördelningen av galaxer i universum, mängden väte och andra lätta atomer och själva hastigheten för vakuumexpansion. En allvarlig diskrepans i expansionstakten kan dock tyda på behovet av en radikal förändring av modellen.

Den teoretiska fysikern Vivian Poulin från det franska nationella centret för vetenskaplig forskning och Laboratoriet för universum och partiklar i Montpellier hävdar att detta betyder följande: något viktigt har hänt i det unga universum som vi ännu inte känner till. Kanske var det ett fenomen förknippat med en okänd typ av mörk energi eller en ny sorts subatomära partiklar. Om modellen tar hänsyn till det försvinner avvikelsen.

På gränsen till en kris

Ett av sätten att bestämma universums expansionshastighet är att studera mikrovågsbakgrunden - relikstrålningen som uppstod 380 tusen år efter Big Bang. ΛCDM kan användas för att härleda Hubble-konstanten genom att mäta stora fluktuationer i CMB. Det visade sig vara lika med 67, 4 kilometer per sekund för varje megaparsek, eller cirka tre miljoner ljusår (vid en sådan hastighet avviker objekt från varandra på lämpligt avstånd). I det här fallet är felet bara 0,5 kilometer per sekund per megaparsek.

Om vi får ungefär samma värde med en annan metod, kommer detta att bekräfta giltigheten av den vanliga kosmologiska modellen. Forskare mätte den skenbara ljusstyrkan hos standardljus - föremål vars ljusstyrka alltid är känd. Sådana föremål är till exempel supernovor av typ Ia – vita dvärgar som inte längre kan absorbera materia från stora sällskapsstjärnor och explodera. Genom den uppenbara ljusstyrkan hos standardljus kan du bestämma avståndet till dem. Parallellt kan du mäta rödförskjutningen av supernovor, det vill säga förskjutningen av ljusets våglängder till den röda delen av spektrumet. Ju större rödförskjutning, desto högre hastighet med vilken föremålet tas bort från betraktaren.

Således blir det möjligt att bestämma universums expansionshastighet, som i det här fallet visar sig vara lika med 74 kilometer per sekund för varje megaparsek. Detta stämmer inte överens med värdena som erhållits från ΛCDM. Det är dock osannolikt att ett mätfel kan förklara avvikelsen.

Enligt David Gross från Kavli Institute for Theoretical Physics vid University of California, Santa Barbara, i partikelfysik skulle en sådan diskrepans inte kallas ett problem, utan en kris. Ett antal forskare höll dock inte med om denna bedömning. Situationen komplicerades av en annan metod, som också är baserad på studiet av det tidiga universum, nämligen baryoniska akustiska svängningar - svängningar i densiteten av synlig materia som fyller det tidiga universum. Dessa vibrationer orsakas av akustiska plasmavågor och är alltid av kända dimensioner, vilket gör att de ser ut som vanliga ljus. I kombination med andra mätningar ger de Hubble-konstanten i överensstämmelse med ΛCDM.

Ny modell

Det finns en möjlighet att forskare gjorde ett misstag när de använde supernovor av typ Ia. För att bestämma avståndet till ett avlägset objekt måste du bygga en distansstege.

Det första steget på denna stege är Cepheiderna - variabla stjärnor med ett exakt förhållande mellan period och ljusstyrka. Cepheider kan användas för att bestämma avståndet till närmaste supernovor av typ Ia. I en av studierna använde man istället för cepheider röda jättar, som i ett visst skede av livet når maximal ljusstyrka - det är samma sak för alla röda jättar.

Som ett resultat visade sig Hubble-konstanten vara 69,8 kilometer per sekund per megaparsek. Det finns ingen kris, säger Wendy Freedman från University of Chicago, en av författarna till tidningen.

Men även detta uttalande ifrågasattes. H0LiCOW-samarbetet mätte Hubble-konstanten med hjälp av gravitationslinser, en effekt som uppstår när en massiv kropp böjer strålar från ett avlägset föremål bakom sig. De senare kan vara kvasarer - kärnorna i aktiva galaxer som matas av ett supermassivt svart hål. På grund av gravitationslinser kan flera bilder av en kvasar dyka upp samtidigt. Genom att mäta flimmer av dessa bilder har forskare härlett en uppdaterad Hubble-konstant på 73,3 kilometer per sekund per megaparsek. Samtidigt visste forskare fram till det sista inte det möjliga resultatet, vilket utesluter möjligheten till bedrägeri.

Resultatet av att mäta Hubble-konstanten från naturliga masrar som bildas när gas roterar runt ett svart hål visade sig vara 74 kilometer per sekund per megaparsek. Andra metoder gav 76,5 och 73,6 kilometer per sekund per megaparsek. Det uppstår även problem med att mäta fördelningen av materia i universum, eftersom gravitationslinser ger ett annat värde jämfört med mätningar av mikrovågsbakgrunden.

Om det visar sig att avvikelsen inte beror på mätfel, så kommer en ny teori att krävas för att förklara alla data som för närvarande finns tillgängliga. En möjlig lösning är att ändra mängden mörk energi som orsakar den accelererade expansionen av universum. Även om de flesta forskare är för att göra utan att uppdatera fysiken, är problemet fortfarande olöst.