Nakon Velikog praska, Svemir je bio gotovo savršeno ujednačen, pun materije, energije i zračenja u brzo rastućem stanju. Kako vrijeme prolazi, Svemir ne samo da tvori elemente, atome i skuplja se i grozdi zajedno, što dovodi do zvijezda i galaksija, već se širi i hladi cijelo vrijeme. Nijedna alternativa mu ne može odgovarati. (NASA / GSFC)

Ovako će astronomi riješiti raširenu svemirsku polemiku

Kad dvije različite tehnike daju dva različita rezultata, ili netko nije u krivu, ili se događa nešto nevjerojatno.

Zamislite da ste znanstvenik koji je pokušavao izmjeriti neko svojstvo Univerzuma. Ako vas zanima kako nešto funkcionira, morat ćete pronaći način da zaključite ne samo o tome što se događa, već i u kojoj količini. Ovo je težak zadatak; želite ne samo kvalitativni odgovor na pitanje što se događa, već i kvantitativni dio, odgovor na pitanje „koliko?“

U kozmologiji je jedan od najvećih izazova mjerenje širenja Svemira. Znamo od 1920-ih da se Svemir širi, iako je generacijama tragalo da utvrde "za koliko?" Danas postoji nekoliko različitih skupina koje koriste mnoštvo različitih tehnika da se to točno mjeri. Odgovori koje dobiva dosljedno spadaju u jednu od dvije kategorije, ali su međusobno nespojivi. Evo kako planiramo riješiti ovu zagonetku.

Povijest svemira koji se širi, uključujući ono što je sačinjen u ovom trenutku. (SURADNJA ESA I PLANKA (GLAVNA), SA IZMJENAMA E. SIEGEL; KORISNIK NASA / WIKIMEDIA COMMONS 老陳 (INSET))

Naraštajima astronomi, astrofizičari i kosmolozi pokušavali su pročistiti naša mjerenja brzine širenja svemira: Hubble konstanta. Zbog toga smo dizajnirali i izgradili svemirski teleskop Hubble. Ključno je bilo izvršiti ovo mjerenje i bio je izuzetno uspješan. Brzina koju je dobila bila je 72 km / s / Mpc, sa samo 10% nesigurnosti. Ovaj je rezultat objavljen 2001. godine riješio kontroverzu staru koliko i sam Hubbleov zakon.

No, u 2019. godini nastao je novi. Jedan kamp, ​​koji koristi relikvije iz najranijih faza Velikog praska, nastavlja dobivati ​​vrijednosti od ~ 67 km / s / Mpc, s tvrdnjom da je nesigurnost od samo 1–2%. Drugi kamp, ​​koristeći mjerenja iz relativno obližnjeg Svemira, tvrdi ~ 73 km / s / Mpc, s nesigurnostima od samo 2–3%. Te su pogreške toliko male da se više ne preklapaju. Nešto nije u redu i ne možemo otkriti gdje.

Moderne napetosti mjerenja s ljestvice na daljinu (crvena) s ranim podacima signala iz CMB i BAO (plava) prikazani za kontrast. Vjerojatno je da je metoda ranog signala ispravna i da postoji osnovna mana ljestvice na daljinu; vjerovatno je da postoji manja pogreška u pristupu metode ranog signala i da je ljestvica udaljenosti ispravna ili da su obje skupine ispravne, a krivac je neki oblik nove fizike (prikazan na vrhu). Ali u ovom trenutku ne možemo biti sigurni. (ADAM RIESS (PRIVATNA KOMUNIKACIJA))

Svemir je u prošlosti bio manji, topliji i gušći. Svjetlost s bilo kojeg mjesta u svemiru mora putovati kroz svemir koji se širi kako bi stigla do naših očiju. U idealnom slučaju možemo izmjeriti svjetlost koju primamo, odrediti udaljenost za signal koji mjerimo i zaključiti kako se Svemir proširio tijekom svoje povijesti da bi rezultirao signalom koji stvarno detektiramo.

Dvije klase metoda koje koristimo, međutim, daju nespojive rezultate. Mogućnosti su trostruke:

  1. Pogrešna je skupina "ranih relikvija". Postoji temeljna pogreška u pristupu ovom problemu i to usmjerava njihove rezultate prema nerealno niskim vrijednostima.
  2. Grupa "ljestve na daljinu" griješi. Postoji neka vrsta sustavne pogreške u pristupu, mijenjajući njihove rezultate na pogrešne, visoke vrijednosti.
  3. Obje su skupine točne i postoji neka nova fizika koja je u igri odgovorna za dobivanje različitih rezultata.
Standardne svijeće (L) i standardni vladari (R) dvije su različite tehnike koje astronomi koriste za mjerenje širenja prostora u različitim vremenima / udaljenostima u prošlosti. Na temelju načina na koji se veličine poput svjetline ili kutne veličine mijenjaju udaljenost, možemo zaključiti povijest širenja svemira. Korištenje metode svijeće dio je ljestvice na daljinu, a donose 73 km / s / Mpc. Upotreba ravnala dio je metode ranog signala, daje 67 km / s / Mpc. (NASA / JPL-CALTECH)

Naravno, svi misle da su u pravu, a ostali timovi nisu u pravu. Ali način na koji znanost djeluje nije iz podsmijeha, nego pronalaženjem uvjerljivih dokaza potrebnih za ocjenjivanje ljestvice. Evo kako će astronomi riješiti najveću polemiku u kozmologiji i naučiti kako se Svemir zapravo širi.

1.) Je li pogrešna skupina ranih relikvija? Prije nego što smo imali Planckov satelit, imali smo COBE i WMAP. Dok nam je Planck dao mapu ostatka Velikog praska do kutne skale od samo 0,07 °, COBE se uspio spustiti samo na oko 7 °, a WMAP, iako mnogo bolji, spuštao nas je samo na oko 0,5 °. Došlo je do degeneracije između tri odvojena parametra u podacima: gustoća materije, brzina širenja i skalarni spektralni indeks. Još u doba WMAP-a, podaci su zapravo favorizirali ~ 71 km / s / Mpc, iako s velikim nesigurnostima.

Prije Planck-a, najbolje odgovaranje podacima pokazalo je Hubbleov parametar od oko 71 km / s / Mpc, ali vrijednost od oko 69 ili više sada bi bila prevelika za gustoću tamne materije (x-os) koju imamo gledano drugim sredstvima i skalarnim spektralnim indeksom (desna strana osi y) koji su nam potrebni da bi struktura svemira velikih razmjera imala smisla. (P.A.R. ADE ET AL. I SAVJET PLANKA (2015))

Tek kad nas je Planck odveo do onih manjih kutnih mjerila da je degeneracija probijena i otkrili smo da brzina širenja treba biti niska. Razlog je taj što te sitne kutne ljestvice kodiraju informacije o skalarnom spektralnom indeksu (n_s, na donjem dijagramu), koje isključuju velike vrijednosti brzine širenja (i, shodno tome, male vrijednosti za gustoću materije) i podučavaju S nama brzina širenja mora biti bliža 67 km / s / Mpc, s vrlo malom nesigurnošću.

Moguće je, međutim, da nešto nije točno ili je pristrano u našoj analizi malih kutnih ljuskica. Morao bi utjecati ne samo na Plancka, već i na druge neovisne eksperimente na CMB-u. Čak i ako u potpunosti odustanete od CMB-a, i dalje ćete dobiti rezultat koji pokazuje da rana metoda relikvije daje znatno nižu brzinu širenja od onoga što pokazuje ljestvica na daljini.

Iako ne mislimo da je to vjerovatno - a neovisna rana relikvijska tehnika barijenskih akustičkih oscilacija (ili „ljestve obrnutog rastojanja“) također daje dosljedne rezultate - važno je imati na umu da je mala greška koju nismo pravilno izračunali jer bi mogao dramatično pomaknuti naše zaključke.

Korelacije između pojedinih aspekata veličine temperaturnih oscilacija (y-os) kao funkcije smanjenja kutne skale (x-os) pokazuju svemir koji je u skladu sa skalarnim spektralnim indeksom od 0,96 ili 0,97, ali nije 0,99 ili 1,00. (P.A.R. ADE ET AL. I SLABIRANJE PLANKA)

2.) Je li pogrešna skupina ljestvica na daljini? Ovo je teško. Postoji mnogo različitih tehnika za mjerenje udaljenosti do objekata u svemiru koji se širi, ali svi imaju nekoliko zajedničkih stvari:

  • započinju izravno (npr. geometrijski) mjerenjem udaljenosti do dobro poznatih, lako vidljivih objekata u našoj vlastitoj galaksiji,
  • tada vidimo iste vrste objekata u drugim galaksijama, što nam omogućava da zaključimo udaljenost do tih galaksija na temelju poznatih svojstava tih objekata,
  • a neke od tih galaksija sadrže i svjetlije astronomske pojave, što nam omogućava da iskoristimo to kao kalibracijsku točku za ispitivanje još udaljenijih galaksija.

Iako, povijesno, postoji više desetaka različitih pokazatelja udaljenosti, najbrži i najlakši način za izlazak na velike kozmičke udaljenosti sada uključuje samo tri koraka: paralaksa promjenljivim zvijezdama poznatim kao Kefeidi u našoj vlastitoj galaksiji; pojedinačni cefeidi u drugim galaksijama, od kojih su neke također bile Ia supernova tipa Ia; a zatim upišite Ia supernove u cijelom Svemiru.

Izgradnja ljestvica kozmičkih udaljenosti uključuje odlazak našeg Sunčevog sustava od zvijezda do obližnjih galaksija do udaljenih. Svaki „korak“ nosi u sebi svoju nesigurnost, posebno korake Cepheid-ove varijable i korake supernove; Također bismo bili pristrani prema višim ili nižim vrijednostima da živimo u prenapučenom ili prenapučenom području. (NASA, ESA, A. FEILD (STSCI) i A. RIESS (STSCI / JHU))

Ovom metodom dobivamo brzinu širenja 73 km / s / Mpc, s nesigurnošću od oko 2–3%. To je očito u neskladu s rezultatima skupine ranih relikvija. Razumljivo je da su mnogi zabrinuti zbog brojnih mogućih izvora grešaka, a timovi koji rade na ljestvici na daljinu vrlo su mali u usporedbi s timovima koji rade na metodi ranih relikvija.

Ipak, puno je razloga da ekipe ljestvica na daljinu budu sigurne u svoje rezultate. Njihove su pogreške toliko kvantificirane kao što se moglo i nadati, osim paralakse postoje i neovisne unakrsne provjere kalibracije Cefeida, a jedina potencijalna zamka je "nepoznata nepoznanica", koja bi realno mogla na bilo kojem poljubiti bilo koje astronomsko polje vrijeme. Ipak, postoje planovi za još bolji. Ovo je višestruki način na koji će astronomi provjeriti da li je ljestvica kozmičke udaljenosti doista pouzdano mjerenje brzine širenja svemira.

Četiri različite kozmologije dovode do istih fluktuacija u CMB-u, ali samostalno mjerenje jednog parametra (poput H_0) može razbiti tu degeneriranost. Kozmolozi koji rade na ljestvici na daljinu nadaju se da će razviti sličnu shemu sličnu cjevovodu kako bi vidjeli kako njihove kozmologije ovise o podacima koji su uključeni ili isključeni (MELCHIORRI, A. i GRIFFITHS, L.M., 2001, NEWAR, 45, 321)

Možemo li razviti cjevovod za ulaze na ljestvici na daljinu kao što to imamo za rane relikvije ulaza? Trenutno postoji puno programa koji mogu uzeti skup kozmoloških parametara i dati vam očekivanu pozadinu kozmičke mikrovalne pećnice, ili uzeti promatranu pozadinu kozmičke mikrovalne pećnice i dati vam kozmološke parametre koje ta mjerenja podrazumijevaju.

Možete vidjeti kako se, kako se vaši podaci mijenjaju, mijenjaju parametri poput gustoće materije, jednadžbe tamne energije ili brzine širenja, zajedno sa njihovim trakama grešaka.

Timovi za ljestve na daljinu nastoje razviti sličan cjevovod; jedan još ne postoji. Kada bude sveobuhvatno, trebali bismo biti u mogućnosti još preciznije pročitati njihovu sistematiku, ali na nadređeni način kao danas. Kada su uključene ili isključene različite podatkovne točke / skupovi moći ćemo vidjeti kako su srednja vrijednost i nesigurnosti u vrijednosti stope proširenja osjetljivi na njih. (Iako je u 2016. bilo više od 100 modela koji su uzeti u obzir u analizi supernove, i različiti između njih nisu uspjeli objasniti odstupanje u svim oblicima.)

Dva različita načina izrade supernove tipa Ia: scenarij akumulacije (L) i scenarij spajanja (R). Još nije poznato koji je od ova dva mehanizma češći u stvaranju događaja supernove tipa Ia, ili postoji li neotkrivena komponenta tih eksplozija. Ispitivanjem regija u kojima ne postoje prikupljajuće se datoteke, mogli bismo ukloniti potencijalnu sustavnu grešku s ljestvicom udaljenosti. (NASA / CXC / M. WEISS)

Jedan potencijalni izvor pogreške mogao bi biti da postoje dvije klase supernove tipa Ia: iz prikupljanja bijelih patuljaka i iz spajanja bijelih patuljaka. Posvuda su stare zvijezde, što znači da bismo trebali svugdje vidjeti spajanje bijelih patuljaka. Ali samo u regijama u kojima se formiraju nove zvijezde ili su se nedavno formirale (poznate kao regije HII) možemo dobiti akretore bijelih patuljaka. Zanimljivo je da se promjenjive zvijezde cefeida, koje su također dio ljestvice na daljinu, nalaze samo u regijama koje su tvorile i nove zvijezde.

Ne možemo rastaviti koju klasu supernova vidimo kada gledamo regije bogate cefidima. Ali ako pogledamo mjesto na kojem nema mladih zvijezda, možemo biti sigurni da vidimo supernove od spajanja bijelih patuljaka. Postoje dobri razlozi za vjerovanje da je ovo sustavno malo u usporedbi s ukupnim odstupanjem, ali nisu svi uvjereni. Korištenje različitog indikatora srednje udaljenosti, poput zvijezda koje se razvijaju na vrhu asimptotske gigantske grane koje se nalaze u vanjskim oreolima galaksija, eliminiraće ovu potencijalnu sustavnu pogrešku. Trenutno postoji desetak mjerenja raznih timova za ljestve na daljinu koji pokazuju dobar dogovor sa Cefeidima, ali još je potrebno još posla.

Dvostruko posuđeni kvazar, poput ovdje prikazanog, uzrokuje gravitacijska leća. Ako se može razumjeti kašnjenje više slika, moguće je rekonstruirati brzinu ekspanzije za svemir na udaljenosti dotičnog kvazara. (NASA HUBBLE PROSTORNI TELESKOP, TOMMASO TREU / UCLA i BIRRER ET AL)

Konačno, tu je krajnja provjera ispravnosti: upotreba potpuno neovisne metode koja uopće nema ljestvicu udaljenosti za mjerenje brzine proširenja. Ako biste mogli mjeriti pokazatelj udaljenosti na različitim lokacijama u cijelom Svemiru, kako u blizini tako i na udaljenosti, očekivali biste da ćete dobiti signal koji bi mogao riješiti problem jednom zauvijek. Međutim, svaku novu metodu spriječit će mala statistika i sustavne pogreške koje tek treba utvrditi.

Unatoč tome, postoje dva načina na koja znanstvenici to trenutno pokušavaju. Prva je putem standardnih sirena, gdje dobivate nadahnuće i spajanje neutronskih zvijezda, mada će one u kozmičkoj skali biti preferirane. (Do sada smo vidjeli jedan, definitivno, ali LIGO / Djevica očekuje još mnogo u narednim desetljećima.) Drugi je putem mjerenja vremenskog odgađanja multipliciranih signala iz gravitacijskih leća. Prvi takvi skupovi podataka stižu sada od ovoga, s četiri poznata sočiva koja prikazuju slaganje s timom ljestvica na daljinu, ali pred njima je još dug put.

Područje svemira lišeno materije u našoj galaksiji otkriva Svemir iza, gdje je svaka točka udaljena galaksija. Struktura nakupine / praznina može se vidjeti vrlo jasno. Ako živimo u prenapučenom / praznom području, to može odmaknuti ljestvicu udaljenosti i metode spajanja neutronskih zvijezda / standardnih sirena od rezultata ranih metoda relikvija / CMB / BAO. (ESA / Herchel / spirala / HERMES)

Ako se ovo pomiri s načinom na koji se mnogi nadaju (a neki ga se plaše), to će značiti da moramo pribjeći trećoj - i najtežoj - opciji.

3.) Obje su skupine točne. Moguće je da je način na koji mjerimo brzinu širenja Svemira od temeljne važnosti za dobivenu vrijednost. Ako mjerimo kozmički bliže predmete i gledamo prema van, dobivamo rezultat od oko 73 km / s / Mpc. Ako izmjerimo brzinu širenja iz najveće kozmičke skale udaljenosti, dobit ćemo rezultat od 67 km / s / Mpc. Postoje brojna fascinantna objašnjenja za to, uključujući:

  • naša lokalna regija Svemira ima neobična svojstva u usporedbi s prosjekom (iako je to već nepovoljno),
  • tamna energija s vremenom se neočekivano mijenja,
  • gravitacija se ponaša drugačije nego što smo predviđali na kozmičkim mjerilima,
  • ili postoji nova vrsta polja ili sile koja prožima Svemir.

No prije nego što skoknemo do tih egzotičnih scenarija, moramo se uvjeriti da nijedna grupa nije pogriješila. Čak je i mala pristranost mogla objasniti cjelokupnost ove trenutačne polemike, unatoč višestrukim neovisnim provjerama. Naše je razumijevanje samog Univerzuma u kojem obitavamo. Ne može se precijeniti važnost obavljanja svake dubinske provjere i provjere da li smo ispravno shvatili.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.