Telescopul James Webb a adus cosmologia la un punct de cotitură. Va dezvălui în curând o nouă fizică?

În ultimii ani, o serie de controverse au zguduit domeniul bine stabilit al cosmologie. Pe scurt, predicțiile modelului standard al universului par a fi în contradicție cu unele observații recente.

Există dezbateri aprinse despre dacă aceste observații sunt părtinitoare sau dacă modelul cosmologic, care prezice structura și evoluția întregului univers, ar putea avea nevoie de o regândire. Unii chiar susțin că cosmologia este în criză. În acest moment, nu știm care parte va câștiga. Dar, interesant, suntem pe punctul de a afla asta.

Pentru a fi corect, controversele sunt doar cursul normal al metodei științifice. Și de-a lungul multor ani, modelul cosmologic standard a avut parte din ele. Acest model sugerează că universul este format din 68,3% „energie întunecată” (o substanță necunoscută care determină accelerarea expansiunii universului), 26,8% materie întunecată (o formă necunoscută de materie) și 4,9% atomi obișnuiți, măsurați foarte precis din fundal cosmic cu microunde — strălucirea radiației de la Big Bang.

Se explică cu mare succes multitudine de date atât la scară mare, cât și la scară mică ale universului. De exemplu, poate explica lucruri precum distribuția galaxiilor din jurul nostru și cantitatea de heliu și deuteriu produsă în primele minute ale universului. Poate cel mai important, poate explica perfect fundalul cosmic cu microunde.

Acest lucru a condus la câștigarea reputației de „model de concordanță”. Dar o furtună perfectă de măsurători inconsistente – sau „tensiuni”, așa cum sunt ele cunoscute ca în cosmologie – pun acum sub semnul întrebării validitatea acestui model de lungă durată.

Înrudit: Telescopul spațial James Webb chiar „sparge” cosmologia?

Tensiuni incomode

Modelul standard face presupuneri speciale despre natura energiei întunecate și a materiei întunecate. Dar, în ciuda deceniilor de observare intensă, încă nu parem mai aproape de a descoperi din ce sunt făcute materia întunecată și energia întunecată.

Testul de turnesol este așa-numitul Tensiunea Hubble. Aceasta se referă la constanta Hubble, care este rata de expansiune a universului în prezent. Când este măsurată în universul nostru local, din apropiere, de la distanță până la stelele pulsatoare din galaxiile din apropiere, numite Cefeide, valoarea sa este de 73 km/s/Mega parsec (Mpc este o unitate de măsură pentru distanțe în spațiul intergalactic). Cu toate acestea, atunci când este prezisă teoretic, valoarea este de 67,4 km/s/Mpc. Diferența poate să nu fie mare (doar 8%), dar este semnificativă statistic.

Tensiunea Hubble a devenit cunoscută în urmă cu aproximativ un deceniu. Pe atunci, se credea că observațiile poate să fi fost părtinitoare. De exemplu, Cefeidele, deși foarte strălucitoare și ușor de văzut, erau înghesuite împreună cu alte stele, ceea ce le-ar fi putut face să pară și mai strălucitoare. Acest lucru ar fi putut face constanta Hubble mai mare cu câteva procente în comparație cu predicția modelului, creând astfel în mod artificial o tensiune.

Odată cu apariția Telescopul spațial James Webb (JWST), care poate separa stelele în mod individual, s-a sperat că vom avea un răspuns la această tensiune.

În mod frustrant, acest lucru nu s-a întâmplat încă. Astronomii folosesc acum alte două tipuri de stele, în afară de Cefeide (cunoscute sub denumirea de stelele Vârful Ramurii Giganților Roșii (TRGB) și stelele Asymptotic Giant Branch (JAGB) din regiunea J). Dar în timp ce un grup a raportat valori de la stelele JAGB și TRGB care sunt tentant de aproape la valoarea așteptată de la modelul cosmologic, un alt grup a susținut că ei încă văd inconsecvențe în observaţiile lor. Între timp, măsurătorile Cefeidelor continuă să arate o tensiune Hubble.

Este important de remarcat faptul că, deși aceste măsurători sunt foarte precise, ele pot fi totuși influențate de unele efecte asociate în mod unic cu fiecare tip de măsurare. Acest lucru va afecta acuratețea observațiilor, într-un mod diferit pentru fiecare tip de stele. O măsurare precisă, dar inexactă este ca și cum ai încerca să purtați o conversație cu o persoană care pierde întotdeauna ideea. Pentru a rezolva neînțelegerile dintre datele conflictuale, avem nevoie de măsurători care să fie atât precis cât și exact.

Vestea bună este că tensiunea Hubble este acum o poveste în curs de dezvoltare. Poate că vom avea răspunsul în următorul an sau cam așa ceva. Îmbunătățirea acurateței datelor, de exemplu prin includerea stelelor din galaxii mai îndepărtate, va ajuta la rezolvarea problemei. În mod similar, măsurătorile ondulațiilor în spațiu-timp cunoscute ca unde gravitationale ne va putea ajuta fixați constanta.

Toate acestea ar putea justifica modelul standard. Sau poate sugera că lipsește ceva din el. Poate că natura materiei întunecate sau felul în care gravitația se comportă pe scari specifice este diferită de ceea ce credem acum. Dar înainte de a reduce modelul, trebuie să te minunezi de precizia lui de neegalat. Ea ratează semnul doar cu cel mult câteva procente, în timp ce extrapolează peste 13 miliarde de ani de evoluție.

Pentru a pune totul în perspectivă, chiar și mișcările mecanice ale planetelor din Sistemul Solar poate fi calculat numai în mod fiabil de mai puțin de 1 miliard de anidupă care devin imprevizibile. Modelul cosmologic standard este o mașină extraordinară.

Tensiunea Hubble nu este singura problemă pentru cosmologie. Un altul, cunoscut sub numele de „tensiunea S8”, provoacă și problemedeși nu la aceeași scară. Aici modelul are o problemă de netezime, prin faptul că prezice că materia din univers ar trebui să fie mai grupată decât observăm de fapt – cu aproximativ 10%. Există diverse modalități de a măsura „aglomerația” materiei, de exemplu prin analiza distorsiunilor luminii din galaxii, produse de presupusa materie întunecată care intervine de-a lungul liniei de vedere.

În prezent, în comunitate pare să existe un consens că incertitudinile din observații trebuie să fie eliminate înainte de a exclude modelul cosmologic. O modalitate posibilă de a atenua această tensiune este să înțelegem mai bine rolul vântului gazos în galaxii, care pot împinge o parte din materie, făcând-o mai netedă.

Înțelegerea modului în care măsurătorile aglomerației la scară mică se raportează la cele de la scară mai mare ar ajuta. Observațiile ar putea sugera, de asemenea, că este nevoie să schimbăm modul în care modelăm materia întunecată. De exemplu, dacă în loc să fie făcută în întregime din particule reci, care se mișcă lentă, așa cum presupune modelul standard, materia întunecată ar putea fi amestecată cu unele particule fierbinți, care se mișcă rapid. Acest lucru ar putea încetini creșterea aglomerației în perioadele cosmice târzii, ceea ce ar ușura tensiunea S8.

JWST a evidențiat alte provocări ale modelului standard. Una dintre ele este că galaxiile timpurii par a fi mult mai masiv decât se aștepta. Unele galaxii pot cântări la fel de mult ca Calea lactee astăzi, chiar dacă s-au format la mai puțin de 1 miliard de ani după Big bangsugerând că ar trebui să fie mai puțin masive.

Cu toate acestea, implicațiile împotriva modelului cosmologic sunt mai puțin clare în acest caz, deoarece pot exista și alte explicații posibile pentru aceste rezultate surprinzătoare. Cheia pentru rezolvarea acestei probleme este îmbunătățirea măsurării maselor stelare în galaxii. În loc să le măsurăm direct, ceea ce nu este posibil, deducem aceste mase din lumina emisă de galaxii.

Acest pas implică câteva ipoteze simplificatoare, care s-ar putea traduce prin supraestimarea masei. Recent, s-a mai argumentat că o parte din lumina atribuită stelelor din aceste galaxii este generată de puternice gauri negre. Acest lucru ar implica că aceste galaxii ar putea să nu fie la fel de masive până la urmă.

Teorii alternative

Deci, unde ne aflăm acum? Deși unele tensiuni pot fi explicate în curând prin observații mai multe și mai bune, nu este încă clar dacă va exista o soluție pentru toate provocările care lovesc modelul cosmologic.

Totuși, nu au lipsit ideile teoretice despre cum să remediați modelul – poate prea multe, în intervalul de câteva sute şi numărând. Aceasta este o sarcină nedumerită pentru orice teoretician care ar dori să le exploreze pe toate.

Posibilitățile sunt multe. Poate că trebuie să ne schimbăm presupunerile despre natura energiei întunecate. Poate că este un parametru care variază în timppe care l-au sugerat unele măsurători recente. Sau poate că trebuie să adăugăm mai multă energie întunecată modelului pentru a stimula expansiunea universului la timpuri timpurii sau, dimpotrivă, în perioadele târzii. Modificarea modului gravitația se comportă la scări mari ale universului (altfel decât se face în modelele numite Dinamica Newtoniană Modificată sau MOND) poate fi, de asemenea, o opțiune.

Până acum, însă, niciuna dintre aceste alternative nu poate explica gama largă de observații pe care o poate face modelul standard. Și mai îngrijorător, unele dintre ele pot ajuta la o tensiune, dar le agravează pe altele.

Ușa este acum deschisă pentru tot felul de idei care provoacă chiar și cele mai de bază principii ale cosmologiei. De exemplu, ar putea fi nevoie să renunțăm la presupunerea că universul este „omogen și izotrop” la scară foarte mareceea ce înseamnă că arată la fel în toate direcțiile pentru toți observatorii și sugerând că nu există puncte speciale în univers. Alții propun modificări ale teoriei relativității generale.

Unii chiar își imaginează un univers șmecher, care participă alături de noi la actul de observaresau care își schimbă aspectul în funcție de faptul că îl privim sau nu – ceva ce știm că se întâmplă în lumea cuantică a atomilor și particulelor.

În timp, multe dintre aceste idei vor fi probabil retrogradate în cabinetul de curiozități al teoreticienilor. Dar, între timp, ele oferă un teren fertil pentru testarea „nouei fizice”.

Acesta este un lucru bun. Răspunsul la aceste tensiuni va veni fără îndoială din mai multe date. În următorii câțiva ani, o combinație puternică de observații din experimente precum JWST, the Instrument spectroscopic de energie întunecată (DESI)cel Observatorul Vera Rubin şi Euclidprintre multe altele, ne vor ajuta să găsim răspunsurile mult căutate.

Punct de răsturnare

Pe de o parte, date mai precise și o mai bună înțelegere a incertitudinilor sistematice ale măsurătorilor ne-ar putea readuce la confortul liniștitor al modelului standard. Din necazurile sale din trecut, modelul poate apărea nu numai justificat, ci și consolidat, iar cosmologia va fi o știință care este atât precisă, cât și exactă.

Dar dacă balanța se înclină în sens invers, vom fi introduși într-un teritoriu neexplorat, unde va trebui descoperită o nouă fizică. Acest lucru ar putea duce la o schimbare majoră de paradigmă în cosmologie, asemănătoare cu descoperirea expansiunii accelerate a universului la sfârșitul anilor 1990. Dar pe această cale s-ar putea să trebuiască să socotim, odată pentru totdeauna, cu natura energiei întunecate și a materiei întunecate, două dintre marile mistere nerezolvate ale universului.

Acest articol editat este republicat din Conversația sub o licență Creative Commons. Citiți articol original.

Andreea Font este cosmolog teoretic și cititor în Astrofizică teoretică la Universitatea John Moores din Liverpool. Interesele Andreei sunt în formare și evoluție ion al galaxiilor, în special în formarea Căii Lactee. În acest scop, Andrea construiește simulări pe computer care urmăresc evoluția galaxiilor de tip Calea Lactee de la naștere până în prezent. Andrea are, de asemenea, un interes în descifrarea naturii materiei întunecate și lucrează în prezent la modul în care putem distinge diferitele modele posibile de materie întunecată folosind semnăturile chimice și cinematice ale stelelor din Calea Lactee.