Toto je najvzrušujúcejšia kríza v kozmológii

Šteniatka cefeid premennej hviezdy RS. (NASA, ESA, Hubble Heritage Team; Howard Bond/STScI & Penn State U.)

Odkedy existuje vesmír, priestor sa rozširuje. Vznikol zhruba pred 13,8 miliardami rokov a odvtedy sa vznáša ako obrovský kozmický balón.

Súčasná rýchlosť tejto expanzie sa nazýva Hubbleova konštanta , alebo H0a je to jedno zo základných meraní vesmíru.

Ak poznáte Hubblovu konštantu, môžete vypočítať vek vesmíru. Môžete vypočítať veľkosť vesmíru. Môžete presnejšie vypočítať vplyv tajomného temná energia ktorý poháňa expanziu vesmíru. A zábavný fakt, H0je jednou z hodnôt potrebných na výpočet medzigalaktických vzdialeností.



Je tu však obrovský problém. Máme niekoľko vysoko presných metód na určenie Hubbleovej konštanty... a tieto metódy stále vracajú rôzne výsledky z neznámeho dôvodu.

Môže ísť o problém s kalibráciou našich meracích techník – štandardných sviečok a štandardných pravítok, ktoré používame na meranie kozmických vzdialeností (o tých o chvíľu viac). Mohla by to byť nejaká neznáma vlastnosť temnej energie.

Alebo možno naše chápanie základnej fyziky nie je úplné. Vyriešenie tohto problému by si mohlo vyžadovať taký prielom, za ktorý sa získavajú Nobelove ceny.

Takže, kde začneme?

Základy

Hubbleova konštanta je zvyčajne vyjadrená zdanlivo nezvyčajnou kombináciou jednotiek vzdialenosti a času – kilometre za sekundu za megaparsek alebo (km/s)/Mpc; megaparsek je asi 3,3 milióna svetelných rokov.

Táto kombinácia je potrebná, pretože expanzia vesmíru sa zrýchľuje, a preto sa zdá, že veci, ktoré sú od nás ďalej, rýchlejšie ustupujú. Hypoteticky, ak by sme zistili, že galaxia vo vzdialenosti 1 megaparsek sa vzďaľuje rýchlosťou 10 km/s a galaxia vo vzdialenosti 10 megaparsekov sa zdá byť vzďaľujúca sa rýchlosťou 100 km/s, mohli by sme tento vzťah opísať ako 10 km/s. za megaparsek.

Inými slovami, určenie proporcionálny vzťah medzi tým, ako rýchlo sa galaxie od nás vzďaľujú (km/s) a ako ďaleko sú (Mpc), nám dáva hodnotu H0.

Keby len existoval jednoduchý spôsob, ako toto všetko zmerať.

Kozmológovia vymysleli množstvo spôsobov, ako dosiahnuť Hubbleovu konštantu, existujú však dve hlavné metódy. Zahŕňajú buď štandardné pravítka, alebo štandardné sviečky.

Štandardné pravítka a ich signály

Štandardné pravítka sú založené na signáloch z obdobia raného vesmíru nazývaného tzv Epocha rekombinácie . Po Veľký tresk Vesmír bol taký horúci a hustý, že sa nemohli tvoriť atómy. Namiesto toho existovala len horúca, nepriehľadná plazmová hmla; po asi 380 000 rokoch ochladzovania a expanzie sa táto plazma konečne začala rekombinovať na atómy.

Opierame sa o dva signály z tohto obdobia. Prvým je kozmické mikrovlnné pozadie (CMB) - svetlo, ktoré uniklo z plazmovej hmly, keď sa hmota znovu spojila a priestor sa stal transparentným. Toto prvé svetlo – zatiaľ slabé – stále napĺňa vesmír rovnomerne vo všetkých smeroch.

Kolísanie teploty CMB predstavuje expanzie a kontrakcie v ranom vesmíre, ktoré majú byť zahrnuté do výpočtov, ktoré nám umožňujú odvodiť históriu expanzie nášho vesmíru.

Druhý signál sa nazýva baryónová akustická oscilácia a je výsledkom sférických vĺn akustickej hustoty, ktoré sa šírili cez plazmovú hmlu raného vesmíru a zastavili sa v epoche rekombinácie.

Vzdialenosť, ktorú mohla táto akustická vlna prejsť počas tohto časového rámca, je približne 150 megaparsekov; je to zistiteľné vo variáciách hustoty v priebehu histórie vesmíru, čo poskytuje „pravítko“ na meranie vzdialeností.

Štandardné sviečky na oblohe

Na druhej strane štandardné sviečky sú merania vzdialenosti založené na objektoch v miestnom vesmíre. Nemôžu to byť len nejaké staré hviezdy alebo galaxie – musia to byť objekty známej vnútornej jasnosti, ako sú supernovy typu Ia, Premenné hviezdy cefeíd , alebo hviezdy na špička vetvy červeného obra .

'Keď sa pozeráte na hviezdy na oblohe, môžete zmerať ich polohu vľavo a vpravo naozaj presne, môžete na ne ukázať naozaj presne, ale nemôžete povedať, ako ďaleko sú,' astrofyzik Tamara Davisová , z University of Queensland v Austrálii, povedal Energyeffic.

„Je naozaj ťažké rozlíšiť medzi niečím, čo je naozaj jasné a vzdialené, alebo niečím, čo je slabé a blízko. Takže spôsob, akým to ľudia merajú, je nájsť niečo, čo je nejakým spôsobom štandardné. Štandardná sviečka je niečo známeho jasu.“

Štandardné pravítka aj štandardné sviečky sú také presné, ako ich môžeme získať, teda - veľmi. A obe vrátia rôzne výsledky, keď sa použijú na výpočet Hubbleovej konštanty.

Podľa štandardných vládcov, teda raného vesmíru, H0je okolo 67 kilometrov za sekundu za megaparsek. Pre štandardné sviečky - miestny vesmír - je to okolo 74 kilometrov za sekundu za megaparsek.

Ani jeden z týchto výsledkov nemá chybové rozpätie, ktoré sa čo i len blíži k zaplneniu medzery medzi nimi.

História medzery

Astronómovia Alexander Friedmann a Georges Lemaître si prvýkrát všimli, že vesmír sa rozpínal až v 20. rokoch minulého storočia. Do roku 1929 Edwin Hubble vypočítal rýchlosť expanzie na základe štandardných sviečok tzv Premenné hviezdy cefeíd , ktoré sa periodicky menia v jase; keďže načasovanie tejto premenlivosti je spojené s vnútornou jasnosťou týchto hviezd, predstavujú vynikajúci nástroj na meranie vzdialenosti.

Ale kalibrácie vzdialenosti neboli úplne správne, čo sa prenieslo aj do meraní kozmických vzdialeností. Prvé výpočty teda vrátili H0približne 500 kilometrov za sekundu za megaparsek.

'Okamžite sa s tým objavil problém, pretože geológovia, ktorí študovali Zem, vedeli, že Zem má niečo ako 4 miliardy rokov,' povedal Davis.

„Ak vypočítate rýchlosť expanzie ako 500 km/s, môžete vypočítať, ako dlho by trvalo dostať sa do súčasnej veľkosti vesmíru, a to by bolo asi 2 miliardy rokov. To znamenalo, že Zem bola staršia ako vesmír - čo nie je možné - a tak ľudia odišli! toto 'rozšírenie vesmíru' je celé fraška.“

Tam zostala Hubbleova konštanta až do približne 50-tych rokov 20. storočia, keď nemecký astronóm Walter Baade objavil, že existujú dva typy premenných hviezd cefeíd, čo umožňuje precíznejší výpočet Hubbleovej konštanty. Bola znížená na približne 100 (km/s)/Mpc.

( John Huchra/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics )

Odtiaľ viete, ako to ide – priebeh môžete vidieť na grafe vyššie. Ako sa naša technológia, techniky a chápanie stále zdokonaľovali, tak sa neustále zdokonaľovali aj výpočty Hubbleovho teleskopu spolu s našou dôverou v ne.

'Kedysi sme mali chybové úsečky plus alebo mínus 50,' povedal Davis. 'Teraz máme chybové úsečky plus alebo mínus 1 alebo 2. Pretože merania sú také dobré, tieto techniky sú teraz dostatočne odlišné, že je ťažké ich vysvetliť chybami merania.'

O čo ide?

Dnes sa rozdiel medzi týmito dvoma hodnotami, známy ako Hubbleovo napätie, nemusí zdať veľký - len 9,4 percenta .

Ale kozmológovia ešte len musia prísť na to, kde je príčina tohto rozporu. Najzrejmejším problémom by bola kalibrácia, ale jej zdroj zostáva nepolapiteľný.

Niekoľko rôznych tímov napríklad vypočítalo H0z CMB na základe meraní získaných vesmírnym observatóriom Planck. Je možné, že problém môže spočívať v našej interpretácii údajov; ale a Prieskum CMB 2019 pomocou iného prístroja, kozmologického teleskopu Atacama, súhlasil s Planckovými údajmi.

Okrem toho H0výpočty z baryónovej akustickej oscilácie meranej úplne iným prístrojom, Sloan Digital Sky Survey, vrátil rovnaký výsledok .

Možno nás zvádzajú aj naše štandardné sviečky. Tieto objekty sú zoskupené do etáp, ktoré tvoria „rebrík kozmickej vzdialenosti“. Po prvé, paralaxa - ako sa zdá, že blízke hviezdy menia polohu voči vzdialenejším hviezdam - sa používa na overenie vzdialeností dvoch typov premenných hviezd.

( dizajny a ďalšie )

Ďalší krok z premenných hviezd je extragalaktický Supernovy typu Ia . Je to ako liezť po rebríku ďalej a ďalej do vesmíru a „dokonca aj malá chyba v jednom z krokov sa môže neskôr rozšíriť do väčšej chyby,“ zdôraznil Davis.

Ďalšie pokusy o riešenie tohto problému zahŕňajú premýšľanie o priestore, ktorý nás obklopuje, iným spôsobom.

The Hypotéza Hubbleových bublín , je napríklad založená na myšlienke, že Mliečna dráha sa nachádza vo vesmíre v „bubline“ s relatívne nízkou hustotou, ktorá je obklopená materiálom s vyššou hustotou. Gravitačný efekt tohto materiálu s vyššou hustotou by ťahal priestor vo vnútri bubliny, takže sa zdá, že miestny priestor sa rozširuje rýchlejšie ako skorý vesmír.

Aj keby všetky vyššie uvedené skutočnosti skutočne prispeli k problému, sotva by to zodpovedalo tejto 9,4-percentnej nezrovnalosti.

„Ľudia boli dosť vynaliezaví pri vymýšľaní možných spôsobov, ako by sa tieto metódy mohli pokaziť. A doteraz nikto presvedčivo netvrdil, že by nejaká konkrétna chyba mohla vysvetliť rozdiely, ktoré vidíme,' kozmológ Matthew Colless , z Austrálskej národnej univerzity, povedal Energyeffic.

„Je možné, že celý rad rôznych malých chýb je zoradených rovnakým spôsobom; ale tieto zdroje chýb spolu nesúvisia. Bolo by veľmi prekvapujúce a mimoriadne nešťastné, keby sa náhodou stalo, že každý iný druh chyby, ktorú sme urobili, sa nahromadil jedným smerom a odviedol nás jedným smerom.“

Možno je na vine fyzika?

Takmer vo všetkých ostatných ohľadoch fungujú naše kozmologické modely pozoruhodne dobre. Ak sa teda pokúsite zmeniť jednu zo základných zložiek Hubbleovej konštanty, niečo iné má tendenciu sa zlomiť.

'Môžete zmeniť štandardné pravítko,' povedal Colless, 'ale potom porušíte nejaké iné pozorovanie, ktoré bolo urobené - množstvo hmoty vo vesmíre, hmotnosť neutrína - podobné veci, dobre zmerané a vysvetlené súčasným modelom, ale porušené zmenami, ktoré musíte urobiť, aby ste „opravili“ štandardné pravítko.“

Čo vedie k - čo nám do pekla chýba? Je to problém s... základnou fyzikou?

'Dosť rozumne si myslím, že to bude pravdepodobne chyba,' poznamenal Davis. „Je však skutočne ťažké vysvetliť, odkiaľ mohla táto chyba pochádzať v súčasných meraniach. Takže mám skoro 50-50. Je to zaujimavy rozpor. A je naozaj zaujímavé pokúsiť sa zistiť prečo.“

Ak sú naše možnosti „ľudia niečo napchali“ a „fyzika je v skutočnosti nesprávna“, vina zvyčajne padá na prvú.

V skutočnosti je to podhodnotenie. „Nová fyzika“ je mimoriadne zriedkavá odpoveď. Ale Hubblovo napätie je klzký problém, ktorý vzdoruje každému pokusu o riešenie, s ktorým môžu kozmológovia prísť.

Čo z neho robí neuveriteľne vzrušujúce.

Väčšina z týchto škvŕn sú galaxie. ( NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) a tím HUDF )

Je možné, že tam niečo je všeobecná relativita nezaúčtovala. To by bolo divoké: Einsteinova teória prežila test pokozmický test. Túto možnosť však nemôžeme podceniť.

Prirodzene, existujú aj iné možnosti, ako napríklad obrovská neznáma temná energia. Nevieme, čo je temná energia, ale zdá sa, že je to základná sila, zodpovedná pre podtlak to urýchľuje expanziu nášho vesmíru. Možno.

„Naša jediná vágna predstava je, že ide o Einsteinovu kozmologickú konštantu, energiu vákua,“ povedal Colless. 'Ale v skutočnosti presne nevieme, ako to funguje, pretože nemáme presvedčivý spôsob, ako predpovedať, aká by mala byť hodnota kozmologickej konštanty.'

Alternatívne by to mohla byť nejaká diera v našom chápaní gravitácie, hoci „nová fyzika, ktorá ovplyvňuje takú základnú teóriu, ako je všeobecná relativita, je extrémne zriedkavá,“ zdôraznil Colless.

'Ak by existovala nová fyzika a ak by sa ukázalo, že si vyžaduje úpravu všeobecnej teórie relativity, určite by to bola prelomová fyzika na úrovni Nobelovej ceny.'

Jediná cesta vpred

Či už je to chyba kalibrácie, obrovská chyba v našom súčasnom chápaní fyziky alebo niečo úplne iné, ak chceme opraviť Hubbleovu konštantu, existuje len jedna cesta vpred – robiť viac vedy.

Po prvé, kozmológovia môžu pracovať s aktuálnymi údajmi, ktoré už máme o štandardných sviečkach a štandardných pravítkoch, ďalej ich spresňovať a ešte viac zmenšovať chybové úsečky. Aby sme to doplnili, môžeme získať aj nové údaje.

Colless napríklad pracuje na projekte v Austrálii, ktorý využíva najmodernejšie technológie nástrojový magnát novo inštalované na Siding Spring Observatory. Tento tím bude skúmať milióny galaxií v miestnom vesmíre, aby zmeral baryónovú akustickú osciláciu čo najbližšie k nám, aby sa zohľadnili všetky problémy s meraním spôsobené vzdialenosťou.

„Budeme merať 2 milióny veľmi blízkych galaxií – na celej južnej pologuli a na malej časti severnej pologule – tak blízko, ako len môžeme, hľadať tento signál baryónovej akustickej oscilácie a zmerať túto škálu s 1 percentom. presnosť pri veľmi nízkej červený posun .'

Ide o rovnaký objem priestoru, aký pokrývajú rebríky vzdialenosti. Ak teda TAIPAN povedie k rovnakému objemu, vráti H067 kilometrov za sekundu za megaparsek, problém môže spočívať v našich štandardných sviečkach.

Na druhej strane, ak sú výsledky bližšie k 74 kilometrom za sekundu za megaparsek, naznačuje to, že štandardné sviečky sú robustnejšie.

Jednou z možností sú aj vznikajúce výskumné oblasti; nie štandardné sviečky alebo štandardné pravítka, ale štandardné sirény, založené na gravitačná vlna astronómia - vlnenie v časopriestore, ktoré sa šíri masívnymi zrážkami medzi čierne diery a neutrónové hviezdy.

Animácia zrážky dvoch neutrónových hviezd. ( Caltech/YouTube )

'Sú podobné supernovám v tom, že vieme, aké jasné sú vo svojej podstate,' povedal Davis.

„V podstate je to ako štandardná sviečka. Niekedy sa nazýva aj štandardná siréna, pretože frekvencia je gravitačné vlny vám povie, aký je jasný. Pretože vieme – zo všeobecnej teórie relativity – vzťah medzi frekvenciou a jasom, nemusíme robiť žiadnu kalibráciu. Máme len číslo, vďaka ktorému je oveľa, oveľa čistejšie ako niektoré z týchto iných metód.“

Stále je ťažké zmerať Hubblovu konštantu pomocou gravitačných vĺn. Prvé výpočty sú však sľubné. V roku 2017 neutrónová hviezda kolízia umožnila astronómom zúžiť ho na okolie 70 (km/s)/Mpc s chybovými pruhmi dostatočne veľkými na oboch stranách, aby pokryli 67 aj 74, a potom ešte niektoré.

Ale na jedno pozorovanie, povedal Davis, také presné meranie bolo úžasné.

'Teraz sme zmerali tisíce supernov,' povedala. „Namerali sme milióny galaxií, aby sme zmerali baryónovú akustickú osciláciu, preskúmali sme celú oblohu, aby sme zmerali kozmické mikrovlnné pozadie.

'A tento jediný objekt, toto jedno meranie gravitačnej vlny, mal chybový stĺpec, ktorý bol asi 10 percent, čo trvalo desaťročia práce na ostatných sondách.'

Astronómia gravitačných vĺn je stále v plienkach – je len otázkou času, kedy zaznamenáme dostatok zrážok neutrónových hviezd, aby sme tieto výsledky dostatočne spresnili. S trochou šťastia to pomôže odhaliť príčinu Hubbleovho napätia.

Tak či onak, zapíše sa do histórie. Nová fyzika by bola, samozrejme, úžasná – ale chyba v rebríčku vzdialenosti by otriasla astronómiou. Môže to znamenať, že niečomu nerozumieme o supernovách typu Ia alebo o tom, ako sa hviezdy vyvíjajú.

Bez ohľadu na to, ako sa to otrasie, vyriešenie Hubbleovho napätia bude mať účinky, ktoré sa prejavia v celej astronomickej vede.

„To je dôvod, prečo sú z toho kozmológovia takí nadšení. Pretože kozmologická teória funguje tak dobre, sme tak nadšení, keď nájdeme niečo, čo nedokázala predpovedať. Pretože keď sa veci pokazia, vtedy sa to naučíte,“ povedal Colless.

'Veda je o pokusoch a omyloch - a práve v omyle sa naučíte niečo nové.'

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.