Ceva este greșit în cosmosul nostru în expansiune.
În urmă cu aproape un secol, astronomul Edwin Hubble a descoperit umflarea sub formă de balon a universului și viteza accelerată a tuturor galaxiilor departe unele de altele. În urma acelei expansiuni înapoi în timp, ne-a dus la cea mai bună înțelegere actuală a modului în care a început totul – Big bang.
Dar în ultimul deceniu, o gaură alarmantă a crescut în această imagine: în funcție de unde privesc astronomii, rata de expansiune a universului (o valoare numită constanta Hubble) variază semnificativ.
Legate de: „Ar putea fi profund”: cum încearcă astronomul Wendy Freedman să repare universul
Acum, la a doua aniversare de la lansare, The Telescopul spațial James Webb (JWST) a cimentat discrepanța cu noi observații uimitor de precise care amenință să răstoarne modelul standard al cosmologiei.
Noua fizică necesară pentru a modifica sau chiar înlocui teoria veche de 40 de ani este acum un subiect de dezbatere acerbă.
„Este un dezacord care trebuie să ne facă să ne întrebăm dacă înțelegem cu adevărat compoziția universului și fizica universului.” Adam Riess, un profesor de astronomie la Universitatea Johns Hopkins care a condus echipa care a făcut noile măsurători JWST, a declarat pentru Live Science. Reiss, Saul Perlmutter și Brian P. Schmidt a câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 2011 pentru descoperirea lor din 1998 a energie întunecatăforța misterioasă din spatele expansiunii accelerate a universului.
Începând cu o bubuitură
Cu privire la acest lucru cosmologii pot fi de acord: a început cu un bang.
Apoi, într-o clipă, s-a format tânărul cosmos: un bulion de plasmă în expansiune și agitare de particule și particule de antimaterie care au apărut, doar pentru a se anihila unul pe celălalt la contact.
Lăsate în voia lor, materia și antimateria din interiorul acestui mocir de plasmă ar fi trebuit să se consume reciproc în întregime. Dar oamenii de știință cred că unii dezechilibru necunoscut a permis să fie produsă mai multă materie decât antimaterie, salvând universul de la autodistrugerea imediată.
Gravitația a comprimat buzunarele de plasmă, strângând și încălzind materia, astfel încât undele sonore care călătoreau cu puțin peste jumătate din viteza luminii, numite oscilații acustice barionice, s-au ondulat pe suprafața lor.
Între timp, densitatea mare de energie a conținutului aglomerat al universului timpuriu a întins spațiu-timp, trăgând în siguranță o mică parte din această materie din luptă.
Pe măsură ce universul s-a umflat ca un balon, povestea standard spune că materia obișnuită (care interacționează cu lumina) s-a înghețat în jurul unor aglomerări de materie întunecată invizibilă pentru a crea primele galaxii, conectate între ele printr-o vastă rețea cosmică.
Legate de: Telescopul James Webb detectează cea mai timpurie fir din „pânza cosmică” văzută vreodată
Inițial, pe măsură ce conținutul universului se răspândește, densitatea sa de energie și, prin urmare, rata de expansiune a scăzut. Dar apoi, cu aproximativ 5 miliarde de ani în urmă, galaxiile au început să se retragă din nou într-un ritm din ce în ce mai rapid.
Cauza, conform acestei imagini, a fost o altă entitate invizibilă și misterioasă cunoscută sub numele de energie întunecată.
Cea mai simplă și populară explicație pentru energia întunecată este că este a constantă cosmologică — o energie inflaționistă care este aceeași peste tot și în fiecare moment; țesut în țesătura întinsă a spațiu-timpului. Einstein a numit-o lambda în teoria sa a relativității generale.
Pe măsură ce cosmosul nostru a crescut, densitatea sa totală a materiei a scăzut, în timp ce densitatea energiei întunecate a rămas aceeași, făcând treptat pe aceasta din urmă cel mai mare contributor la expansiunea sa globală.
Adunate împreună densitățile de energie ale materiei obișnuite, ale materiei întunecate, ale energiei întunecate și ale energiei din lumină stabilesc limita superioară de viteză a expansiunii universului. Ele sunt, de asemenea, ingrediente cheie în modelul cosmologic al materiei întunecate rece Lambda (Lambda-CDM), care cartografiază creșterea cosmosului și prezice sfârșitul acestuia – cu materia răspândită în cele din urmă atât de subțire încât experimentează o moarte termică numită Big Freeze.
Multe dintre predicțiile modelului s-au dovedit a fi extrem de precise, dar aici încep problemele: în ciuda multor căutări, astronomii nu au nicio idee ce este materia întunecată sau energia întunecată.
„Majoritatea oamenilor sunt de acord că compoziția actuală a universului este de 5% materie atomică obișnuită; 25% materie întunecată, rece și 70% energie întunecată.” Ofer Lahav, profesor de astronomie la University College London care este implicat în sondaje ale energiei întunecate în galaxii, a declarat pentru Live Science. — Faptul jenant este că nu îi înțelegem pe ultimii doi.
Dar o amenințare și mai mare la adresa Lambda-CDM pândește printre stele: în funcție de metoda pe care o folosesc astrofizicienii, universul pare să crească în ritmuri diferite – o disparitate cunoscută sub numele de tensiunea Hubble. Și metodele care analizează universul timpuriu arată că acesta se extinde semnificativ mai rapid decât prezice Lambda-CDM. Aceste metode au fost verificate și verificate prin nenumărate observații.
„Deci, singurul motiv pentru care pot înțelege, în acest moment, pentru ca ei să nu fie de acord este că modelului pe care îl avem între ei poate lipsește ceva”, a spus Riess.
Urcând scara cosmică
Măsurarea expansiunii universului durează puțin mai mult decât a pistol radar.
Prima metodă de măsurare a acestei creșteri se uită la așa-numitul fundal cosmic cu microunde (CMB), o relicvă a primei lumini din univers produsă la doar 380.000 de ani după Big Bang. Amprenta poate fi văzută pe tot cerul și a fost mapat pentru a găsi o constantă Hubble cu o incertitudine mai mică de 1%. langa Agenția Spațială EuropeanăSatelitul Planck al lui (ESA) între 2009 și 2013.
În această „imagine a bebelușului” cosmic, universul este aproape în întregime uniform, dar zonele mai fierbinți și mai reci, în care materia este mai mult sau mai puțin densă, dezvăluie unde oscilațiile acustice barionice au făcut-o să se aglomereze. Pe măsură ce universul a explodat în exterior, această structură cu bule de săpun s-a transformat în rețeaua cosmică – o rețea de fire care se încrucișează de-a lungul ale căror intersecții aveau să se nască galaxiile.
Studiind aceste ondulații cu satelitul Planck, cosmologii au dedus cantitățile de materie obișnuită și materie întunecată și o valoare pentru constanta cosmologică, sau energia întunecată. Conectarea acestora la modelul Lambda-CDM a generat o constantă Hubble de aproximativ 46.200 mph per milion de ani lumină, sau aproximativ 67 de kilometri pe secundă pe megaparsec. (Un megaparsec este de 3,26 milioane de ani lumină.)
Să facem o pauză la acest număr pentru un moment: dacă o galaxie se află la o distanță de un megaparsec distanță de noi, înseamnă că se va îndepărta cu 67 de kilometri pe secundă. La douăzeci de megaparsecs, această recesiune crește la 1.340 de kilometri pe secundă și continuă să crească exponențial de acolo mai departe. Dacă o galaxie se află la o distanță mai mare de 4.475 megaparsecs de noi, se va retrage de la noi (și noi de ea) mai rapid decât viteza luminii.
O a doua metodă de a găsi această rată de expansiune folosește stele pulsatoare numite variabile Cepheid – stele muritoare cu straturi exterioare de heliu gaz care cresc și se micșorează pe măsură ce absorb și eliberează radiația stelei, făcându-le să pâlpâie periodic ca lămpile de semnal îndepărtate.
În 1912, astronomul Henrietta Swan Leavitt a descoperit că cu cât o Cefeidă era mai strălucitoare, cu atât va pâlpâi mai lent, permițând astronomilor să măsoare luminozitatea absolută a unei stele și, prin urmare, să-i măsoare distanța.
A fost o descoperire marcantă care a transformat Cefeidele în „lumânări standard” abundente pentru a măsura scara imensă a universului. Prin înșirare de observații ale Cefeidelor pulsatoare, astronomii pot construi scări de distanță cosmică, fiecare treaptă ducându-le cu un pas înapoi în trecut.
„Este unul dintre cele mai precise mijloace pe care le au astăzi astronomii pentru măsurarea distanțelor.” Wendy Freedmanastrofizician la Universitatea din Chicago, a declarat pentru Live Science.
Pentru a construi o scară de distanță, astronomii construiesc prima treaptă alegând cefeidele din apropiere și verificându-le distanța pe baza luminii pulsatorii cu cea găsită de geometrie. Următoarele trepte sunt adăugate numai folosind citirile Cefeide.
Apoi, astronomii se uită la distanțele stelelor și supernovelor de pe fiecare treaptă și compară cât de mult lumina lor a fost deplasată spre roșu (întinsă la lungimi de undă mai lungi și mai roșii) pe măsură ce universul se extinde.
Aceasta oferă o măsurare precisă a constantei Hubble. În 2019, metoda a fost folosită de Riess și colaboratorii săi, care au pregătit Telescopul spațial Hubble pe una dintre Calea lacteeCei mai apropiați vecini ai lui, Marele Nor Magellanic.
Rezultatul lor a fost exploziv: o rată de expansiune incredibil de mare de 74 km/s/Mpc în comparație cu măsurarea Planck.
Cu toate acestea, lui Hubble îi lipsea precizia necesară pentru regiunile aglomerate ale spațiului pe care echipa le studia, ceea ce a făcut ca unele Cefeide îndepărtate să se estompeze în stelele vecine. Cosmologii divergenți au mai avut loc pentru a argumenta că rezultatul, oricât de șocant, ar fi putut proveni dintr-o eroare de măsurare.
Legate de: Telescopul Hubble captează lumina „interzisă” a unei galaxii într-o nouă imagine uluitoare
Deci, când JWST a fost lansat în decembrie 2021, era gata fie să rezolve discrepanța, fie să o cimenteze. La 21,3 picioare (6,5 m) lățime, oglinda lui JWST este de aproape trei ori mai mare decât cea a lui Hubble, care are doar 7,9 picioare (2,4 m) lățime. Nu numai că JWST poate detecta obiecte de 100 de ori mai slab decât Hubble, dar este și mult mai sensibil în spectrul infraroșu, permițându-i să vadă într-o gamă mai largă de lungimi de undă.
Comparând cefeidele măsurate de JWST în galaxia NGC 4258 cu supernove luminoase de tip Ia (o altă lumânare standard pentru că toate explodează la aceeași luminozitate absolută) în galaxii îndepărtate, Riess și colegii săi au ajuns la un rezultat aproape identic: 73 km/s/ Mpc.
Alte măsurători – inclusiv una făcută de Freedman cu telescopul spațial Hubble privind strălucirea rapidă a celor mai luminoase stele gigantice roșii din „vârful ramurii” și alta cu lumina curbată de gravitația galaxiilor masive – au revenit cu rezultate respective de 69,6. și 66,6 km/s/Mpc. A sep Rezultatul arate folosind îndoirea luminii a dat și o valoare de 73 km/s/Mpc. Cosmologii au rămas zguduiți.
„Temperatura CMB este măsurată la nivelul de precizie de 1%, iar măsurarea distanței pe scară Cepheid se apropie de 1%”, Ryan Keeley, un cosmolog de la Universitatea din California, Merced, care a lucrat pentru a explica tensiunea Hubble, a declarat pentru Live Science. „Deci o diferență de 7 kilometri pe secundă, deși nu este foarte mare, este foarte, foarte puțin probabil să fie o șansă aleatorie. Există ceva clar de explicat”.
Cosmologia în criză
Noul rezultat lasă răspunsul larg deschis, împărțind cosmologii în facțiuni care urmăresc soluții uluitor de diferite. În urma rezultatului telescopului spațial Hubble, o încercare oficială de a rezolva problema la o conferință din 2019 la Institutul Kavli pentru Fizică Teoretică (KITP) din California a provocat doar mai multă frustrare.
„Nu am numi asta o tensiune sau o problemă, ci mai degrabă o criză”, David Grossfost director al KITP și laureat al Premiului Nobel, a declarat la conferință.
Cum pot fi rezolvate lucrurile nu este clar. Riess urmărește o modificare a modelului Lambda-CDM care presupune că energia întunecată (lambda) nu este constantă, ci evoluează de-a lungul vieții cosmosului conform unei fizice necunoscute.
Cu toate acestea, cercetarea lui Keeley, publicată pe 15 septembrie în jurnal Scrisori de revizuire fizică, contrazice acest lucru. El și colegii săi au descoperit că ratele de expansiune se potriveau cu predicțiile Lambda-CDM până la CMB. Deci, dacă modelul trebuie reparat oriunde, cel mai probabil este în universul foarte timpuriu, a spus Keeley.
Ar putea fi posibil să se adauge puțină energie întunecată înainte de apariția fundalului cosmic cu microunde, a spus Keeley, dând un accent suplimentar expansiunii universului care nu trebuie să-l facă să se rupă de modelul standard.
Un alt grup de astronomi este convins că tensiunea, alături de observația că Calea Lactee rezidă în interiorul unui supravid subdensînseamnă că Lambda-CDM și materia întunecată trebuie aruncate cu totul.
Ce ar trebui să-l înlocuiască, conform Pavel Kroupaprofesor de astrofizică la Universitatea din Bonn, este o teorie numită Dinamica Newtoniană Modificată (MOND).
Teoria propune că, pentru atracțiile gravitaționale de zece trilioane de ori mai mici decât cele resimțite pe suprafața Pământului (cum ar fi tragerile resimțite între galaxii îndepărtate), legile lui Newton se strica și trebuie înlocuite cu alte ecuații.
Alți astronomi spun că propriile lor calcule nu susțin afirmațiile MOND, dar Kroupa insistă că cosmologii care doresc să modifice modelul cosmologic standard „adaugă, practic, complicații suplimentare unei teorii deja foarte dezordonate și complicate”.
„Ceea ce experimentez și mărturisesc este o defalcare esențială a științei”, a spus Kroupa.
Lahav este agnostic. Este posibil ca Lambda-CDM să aibă nevoie doar de o modificare, a spus el, sau poate că materia întunecată și energia întunecată sunt echivalentul modern al epiciclurilor, cercurile mici pe care astronomii greci antici le foloseau pentru a modela planetele care orbitează Pământul. „Orbitele planetelor au fost descrise foarte precis de epicicluri”, a spus Lahav. “A fost un model bun! Se potrivea cu datele.”
Dar odată ce astronomii au plasat soarele în centrul sistem solar la modelele mai noi, epiciclurile au devenit în cele din urmă irelevante, a adăugat el.
„Dacă vrem să fim filozofici, poate că asta se întâmplă”, a spus Lahav. „Dar poate că există și materie întunecată și energie întunecată și pur și simplu nu a fost descoperit încă.”
Cosmologii caută răspunsuri în mai multe locuri. Experimentele CMB viitoare, cum ar fi Proiectul CMB-S4 la Polul Sud și la Observatorul Simons în Chile, caută indicii în măsurători ultraprecise ale radiației universului timpuriu. Alții se vor uita la hărțile materiei întunecate produse de ESA Telescopul spațial Euclid sau la viitorul sondaj de energie întunecată realizat de către Instrument spectroscopic de energie întunecată.
Deși acum pare mai puțin probabil, este, de asemenea, posibil ca tensiunea Hubble să fie rezolvată prin descoperirea unor defecțiuni sistematice nevăzute în măsurătorile actuale.
Pentru Freedman, o soluție sau, eventual, alte ghicitori, vor veni de la JWST. Echipa ei folosește ochiul puternic al telescopului pentru a face măsurători ultradetaliate ale variabilelor cefeide; stele-vârful-ramurului-gigant-roșu; și un tip de stea de carbon numită stele JAGB, toate deodată distanță.
„Vom vedea cât de bine sunt de acord și asta ne va da un sentiment general al unui răspuns sistematic”, a spus Freedman.
Freedman a privit până acum doar stelele dintr-o galaxie, dar observă deja o diferență față de măsurătorile telescopului spațial Hubble.
„Sunt foarte încântat pentru că cred că vom avea ceva cu adevărat interesant de spus”, a spus Freedman. “Sunt complet deschis. Nu știu unde va cădea asta.”