Guinguette Marais Poitevin

Rozbieżność pomiędzy tym, jak szybko wydaje się, że wszechświat się rozszerza, a tym, jak szybko spodziewamy się, że będzie się rozszerzał, jest jedną z najbardziej uporczywie utrzymujących się anomalii kosmologii.

Kosmolodzy opierają swoje oczekiwania dotyczące tempa rozszerzania się wszechświata – znanego jako stała Hubble’a – na pomiarach promieniowania emitowanego krótko po Wielkim Wybuchu. Promieniowanie to ujawnia dokładne składniki wczesnego wszechświata. Kosmolodzy włączają te składniki do swojego modelu ewolucji kosmosu i uruchamiają model, aby zobaczyć, jak szybko przestrzeń powinna się dziś rozszerzać.

Jednakże prognoza nie spełnia się: Kiedy kosmolodzy obserwują obiekty astronomiczne, takie jak pulsujące gwiazdy i wybuchające supernowe, widzą wszechświat, który rozszerza się szybciej, z większą stałą Hubble’a.

Różnica, znana jako napięcie Hubble’a, utrzymywała się nawet wtedy, gdy wszystkie pomiary stawały się coraz bardziej precyzyjne. Niektóre astrofizyk kontynuować debata czy the napięcie móc nic więcej niż błąd pomiarowy. Ale jeśli rozbieżność jest prawdziwa, oznacza to, że czegoś brakuje w modelu wszechświata kosmologów.

Ostatnio teoretycy byli zajęci wyobrażaniem sobie nowych składników kosmicznych, które dodane do modelu standardowego podniosłyby oczekiwane tempo rozszerzania się wszechświata, sprawiając, że odpowiadałoby ono obserwacjom.

„Odkrywanie anomalii to podstawowy sposób, w jaki nauka czyni postęp” – powiedział Avi Loeb, kosmolog z Uniwersytetu Harvarda i jeden z kilkudziesięciu badaczy, którzy zaproponowali rozwiązania problemu napięcia Hubble’a.

Oto niektóre z najlepszych pomysłów na to, co może przyspieszać ekspansję kosmosu.

Rozpadająca się ciemna materia

Standardowy model kosmologii obejmuje wszystkie znane formy materii i promieniowania oraz ich oddziaływania. Obejmuje on również niewidzialne substancje znane jako ciemna energia i ciemna materia, które razem stanowią około 96 procent kosmosu. Ponieważ tak niewiele wiadomo o tych ciemnych składnikach, są one być może oczywistym miejscem, w którym można zacząć manipulować modelem standardowym. „To jest to, co masz do dyspozycji, aby zmienić tempo ekspansji wszechświata” – powiedział Loeb.

Model standardowy zakłada, że ciemna materia składa się z wolno poruszających się cząstek, które nie oddziałują ze światłem. Ale co jeśli założymy, że ciemna materia nie jest zbudowana tylko z jednej substancji? Ponieważ istnieje wiele różnych rodzajów widzialnych cząstek – kwarków, elektronów i tak dalej – może istnieć również wiele ciemnych cząstek.

W pracy opublikowanej zeszłego lata w Physical Review D, Loeb i dwóch współpracowników rozważali formę ciemnej materii, która rozpada się na jaśniejszą cząstkę i bezmasową cząstkę znaną jako ciemny foton. Ich zdaniem, gdy z czasem coraz więcej ciemnej materii ulegało rozpadowi, jej grawitacyjne przyciąganie malało, a tym samym ekspansja wszechświata przyspieszała, łagodząc napięcie Hubble’a.

Ale wprowadzanie takich małych zmian do standardowego modelu kosmologicznego może mieć niepożądane efekty domina. „Bardzo łatwo jest wymyślać różnego rodzaju drobne modyfikacje” – powiedział Marc Kamionkowski, fizyk teoretyczny z Johns Hopkins University – ale trudno jest to zrobić bez rujnowania doskonałego dopasowania modelu do wielu innych obserwacji astronomicznych.

Zmieniając tempo rozpadu i ilość ciemnej materii, która jest tracona w każdym rozpadzie, Loeb i współpracownicy wybrali model rozpadającej się ciemnej materii, który ich zdaniem nadal zgadza się z innymi obserwacjami astronomicznymi. „Jeśli dodasz ten składnik do standardowego modelu kosmologii, wszystko trzyma się kupy,” powiedział Loeb.

Jednak pozostaje niezadowolony z pomysłu rozpadającej się ciemnej materii, po części dlatego, że wprowadza on dwie nowe niepewne wielkości do równań.

„W tym przypadku, dodajesz dwa wolne parametry, aby rozwiązać jedną rozbieżność – i nie jestem z tym zadowolony”, powiedział, porównując rozpadającą się ciemną materię do epicykli w ziemsko-centrycznym modelu wszechświata Ptolemeusza. „Wolałbym mieć dwie rozbieżności wyjaśnione przez jeden parametr.”

Nieustanna ciemna energia

Od czasu zaskakującego odkrycia w 1998 roku, że ekspansja wszechświata przyspiesza, kosmolodzy włączyli odpychającą ciemną energię do swojego modelu ewolucji kosmosu. Jednak jej natura pozostaje tajemnicą. Najprostszą możliwością jest to, że ciemna energia jest „stałą kosmologiczną” – energią samej przestrzeni, o stałej gęstości wszędzie. Ale co jeśli ilość ciemnej energii we wszechświecie nie jest stała?

Dodatkowa dawka ciemnej energii we wczesnym wszechświecie, zwana wczesną ciemną energią, mogłaby pogodzić sprzeczne wartości stałej Hubble’a. The na zewnątrz ciśnienie ten wczesny ciemny energia miewać przyśpieszać w górę the wszechświat ekspansja. „Trudność polega na tym, że nie może ona pozostać w pobliżu; musi szybko zniknąć” – powiedziała Lisa Randall, fizyk cząstek elementarnych i kosmolog z Harvardu.

Randall i jej współpracownicy w pracy opublikowanej w czasopiśmie Journal of High Energy Physics opracowali, jak to nazywają, „rock’n’rollowe” rozwiązania problemu napięcia Hubble’a. Każdy z tych dodatków do modelu standardowego przybiera inną formę matematyczną – w niektórych gęstość ciemnej energii oscyluje, lub skacze, podczas gdy w innych spada z wysokiej wartości do zera. Jednak we wszystkich przypadkach wczesna ciemna energia musi zniknąć po kilkuset tysiącach lat, podczas epoki znanej jako rekombinacja. „Historia Wszechświata od czasu rekombinacji jest całkiem zgodna z modelem standardowym,” powiedział Kamionkowski, który jest współautorem pracy na temat wczesnej ciemnej energii opublikowanej w Physical Review Letters w czerwcu zeszłego roku. „Tak więc każda małpia działalność, którą prowadzimy we wczesnym wszechświecie musi się rozpadać.”

Oprócz wczesnej ciemnej energii, teoretycy zaproponowali inne egzotyczne formy ciemnej energii – takie jak kwintesencja i fantomowa ciemna energia – które również zmieniają się wraz z wiekiem wszechświata. Podczas gdy te rozszerzenia modelu standardowego łagodzą napięcie Hubble’a, są one uważane przez wielu kosmologów za dobrze dostrojone – niefortunne dodatki matematyczne, które nie mają jasnego uzasadnienia.

Ale Kamionkowski mówi, że nowe formy ciemnej energii wydają się mniej wymyślne, gdy rozważa się je obok innych okresów ekspansji w historii wszechświata. Na przykład większość kosmologów uważa, że przestrzeń rozszerzyła się wykładniczo na początku Wielkiego Wybuchu podczas okresu znanego jako inflacja, który był napędzany przez inny rodzaj ciemnej energii niż ten, który istnieje obecnie. Uważa się, że takie okresy zdominowane przez ciemną energię „występują sporadycznie w całej historii wszechświata” – powiedział Kamionkowski.

Zmodyfikowana grawitacja

W standardowym modelu kosmologii, wszystkie znane formy materii i promieniowania, plus ciemna materia i ciemna energia, są wprowadzane do teorii grawitacji Alberta Einsteina, a równania Einsteina wskazują jak przestrzeń rozszerza się w wyniku tego. Oznacza to, że oprócz zmiany lub dodania kosmicznych składników do modelu, istnieje inny sposób, w jaki fizycy mogą pogodzić go z obserwowanym tempem ekspansji kosmosu: „Można sobie wyobrazić, że równania Einsteina nie są poprawne” – powiedział Loeb.

William Barker, doktorant na Uniwersytecie w Cambridge, szukał teorii „zmodyfikowanej grawitacji” zeszłego lata, gdy natknął się na sposób rozwiązania problemu napięcia Hubble’a. Barker znalazł model zmodyfikowanej grawitacji, który był „w stanie zachowywać się tak, jakby we wczesnym wszechświecie istniało dodatkowe promieniowanie” – powiedział; ciśnienie promieniowania zwiększyłoby tempo ekspansji kosmicznej.

Ale w preprintze złożonym w Physical Review D w marcu, Barker i trzej współautorzy przyznają, że potrzeba znacznie więcej analiz, aby zobaczyć, czy model może opisać nie tylko to, jak wszechświat się rozszerza, ale także jak ewoluowały struktury takie jak galaktyki i gromady.

Przy współczesnych teleskopach oferujących mnóstwo imponująco precyzyjnych danych na temat takich struktur, opracowanie teorii, która pasuje do wszystkich obserwacji jest nie lada wyczynem. „Wiele teorii zmodyfikowanej grawitacji nie jest teoriami kompletnymi, a kiedy próbujesz dokonać szczegółowych obliczeń przy użyciu skomplikowanych zestawów danych… trudno jest to zrobić w solidny sposób” – powiedział Kamionkowski.

Wait and See

„Wszyscy wiemy, że są one ad hoc”, powiedział Randall o dotychczasowych propozycjach. „Zadziwiające jest to, że nawet z tymi doraźnymi dodatkami, nadal bardzo trudno jest zmieścić rozbieżność.”

Nawet z dodatkową swobodą, większość niestandardowych modeli tylko zmniejsza napięcie Hubble’a, a nie je eliminuje. Przewidują one szybsze tempo ekspansji kosmosu niż model standardowy, ale nadal nie jest ono wystarczająco szybkie, by zgadzało się z obserwacjami supernowych i innych obiektów astronomicznych.

W najbliższych latach teleskop Euklidesa i inne teleskopy będą skrupulatnie mapować, jak grawitacja i ciemna energia ukształtowały kosmiczną ewolucję. Tymczasem fale grawitacyjne emitowane przez zderzające się gwiazdy neutronowe oferują nowy sposób na zmierzenie stałej Hubble’a. Nowe dane wykluczą niektóre z nich. Nowe dane wykluczą niektóre z tych nowych rozwiązań dla napięcia Hubble’a, ale mogą pojawić się nowe pęknięcia w modelu standardowym. Na razie wielu kosmologów jest niechętnych komplikowaniu modelu, gdy poza tym działa on tak dobrze. „Jest trochę poczucia poczekania i zobaczenia, chyba że ktoś ma naprawdę dobry pomysł,” powiedział Randall.

Dodaje, że nawet jeśli napięcie Hubble’a okaże się niczym więcej niż nagromadzeniem błędów, to poszukiwanie nowej fizyki może nie pójść na marne.

„Ciekawe wyniki czasami pochodzą z rzeczy, które w końcu odchodzą” – powiedział Randall. „To zmusza cię do myślenia: Co wiemy? I jak bardzo możemy to zmienić?”

Oryginalna historia przedrukowana za pozwoleniem z Quanta Magazine, niezależnej redakcyjnie publikacji Fundacji Simonsa, której misją jest zwiększenie zrozumienia nauki przez społeczeństwo poprzez opisywanie rozwoju badań i trendów w matematyce oraz naukach fizycznych i przyrodniczych.

Więcej wspaniałych historii WIRED

• Maklerzy Magic: The Gathering grają na zwłokę
• Powstanie hinduskiego mściciela w erze WhatsApp i Modiego
• Jak zatrzeć ślady za każdym razem, gdy jesteś online
• Buduj miasta dla rowerów, autobusów i stóp – nie samochodów
• Zamknięte: Fotograf uwiecznia swoje marzenia o gorączce kabiny
• 👁 AI odkrywa potencjalne leczenie Covid-19. Plus: Poznaj najnowsze wiadomości o AI
• ✨ Zoptymalizuj swoje życie domowe dzięki najlepszym propozycjom naszego zespołu Gear, od robotów odkurzających, przez niedrogie materace, po inteligentne głośniki