Разширяващата се Вселена, пълна с галактики и сложната структура, която наблюдаваме днес, възникна от по-малко, по-горещо, по-плътно и по-равномерно състояние. Бяха необходими хиляди учени, работещи стотици години, за да стигнем до тази картина, но въпреки това липсата на консенсус относно това какъв всъщност е скоростта на разширяване, ни подсказва, че или нещо е ужасно погрешно, или имаме някъде идентифицирана грешка. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ и L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Учените не могат да се споразумеят за разширяващата се Вселена

Това е или космическа мистерия или ужасно светска грешка.

Вселената се разширява и всеки учен в тази област е съгласен с това. Наблюденията в голяма степен подкрепят този пряк извод и всяка алтернатива не успява да постигне успехите си от края на 20-те години. Но в научните начинания успехът не може просто да бъде качествен; трябва да разберем, измерим и измерим разширяването на Вселената. Трябва да знаем доколко Вселената се разширява.

От поколения астрономи, астрофизици и космолози се опитват да прецизират нашите измервания на скоростта на разширяване на Вселената: константата на Хъбъл. След много десетилетия на дебати, ключовият проект за космическия телескоп Хъбъл се появи, за да реши проблема: 72 км / с / Mpc, само с 10% несигурност. Но сега, 17 години по-късно, учените не могат да се съгласят. Претенции за един лагер ~ 67 km / s / Mpc; другите претенции ~ 73 km / s / Mpc и грешките не се припокриват. Нещо или някой не е наред и не можем да разберем къде.

Колкото по-далече е галактика, толкова по-бързо тя се разширява от нас и толкова повече светлината й изглежда червена изместена. Галактика, движеща се с разширяващата се Вселена, днес ще бъде дори по-голям брой светлинни години, отколкото броя на годините (умножени по скоростта на светлината), отнела светлината, излъчена от нея, за да достигне до нас. Но колко бързо се разширява Вселената е нещо, за което астрономите, използващи различни техники, не могат да се споразумеят. (LARRY MCNISH OF RASC CALGARY CENTER)

Причината да е такъв проблем е, защото имаме два основни начина за измерване на скоростта на разширение на Вселената: чрез космическата разстояние на стълбата и чрез гледане на сигналите, произхождащи от най-ранните моменти на Големия взрив. Двата метода са изключително различни.

  • За разстоянието на стълбата разглеждаме близките, добре разбрани обекти, след това наблюдаваме същите типове обекти на по-отдалечени места, след това извеждаме техните разстояния, след това използваме свойства, които наблюдаваме на тези разстояния, за да отидем още по-далеч и т.н. С изграждането червено изместване и измерване на разстоянието, можем да реконструираме скоростта на разширение на Вселената.
  • За метода на ранните сигнали можем да използваме или остатъчната светлина от Големия взрив (космическият микровълнов фон), или корелационните разстояния между далечни галактики (от акустичните осцилации на Барион) и да видим как тези сигнали се развиват с течение на времето, когато Вселената се разширява.

Първият метод изглежда дава по-високата цифра от ~ 73 km / s / Mpc последователно, докато вторият дава ~ 67 km / s / Mpc.

Стандартните свещи (L) и стандартните владетели (R) са две различни техники, които астрономите използват за измерване на разширяването на пространството в различни периоди / разстояния в миналото. Въз основа на това как величини като светимост или ъглов размер се променят с разстояние, можем да заключим историята на разширението на Вселената. Използването на метода на свещта е част от стълбата на разстоянието, като се получават 73 km / s / Mpc. Използването на линийката е част от метода на ранния сигнал, като се получават 67 km / s / Mpc. Тези стойности са непоследователни. (НАСА / JPL-CALTECH)

Това трябва да ви безпокои дълбоко. Ако разберем правилно начина, по който Вселената работи, тогава всеки метод, който използваме за измерването му, трябва да предоставя същите свойства и една и съща история за Космоса, който обитаваме. Независимо дали използваме червени гигантски звезди или сини променливи звезди, въртящи се спирални галактики или лицеви спирали с флуктуираща яркост, въртящи се елиптични галактики или свръхнови тип Ia, или Космическия микровълнов фон или корелациите на галактиката, трябва да получим отговор, който е съвместим с Вселената притежаващи същите свойства.

Но това не се случва. Методът за разстояние на стълбата систематично дава по-висока стойност с около 10% от метода на ранните сигнали, независимо от това как измерваме разстоянието на стълбата или кой ранен сигнал използваме. Ето най-точния метод за всеки от тях.

Методът на паралакса, използван откакто телескопите станаха достатъчно добри през 1800-те, включва забелязване на очевидната промяна в позицията на близката звезда спрямо по-отдалечените фонови. При този метод може да има предубеждения поради наличието на маси, които не сме отчитали по подходящ начин. (ESA / ATG MEDIALAB)

1.) Стълбата на разстоянието: започнете със звездите в нашата собствена галактика. Измервайте разстоянието им с помощта на паралакс, така че видимото положение на звездата се измества през земната година. Докато светът ни се движи около Слънцето, привидното положение на близка звезда ще се измести спрямо фоновите; размерът на смяната ни показва разстоянието на звездата

Някои от тези звезди ще бъдат променливи звезди на Цефеид, които показват специфична връзка между тяхната светимост (вътрешна яркост) и периода на пулсация: Законът на Левит. Цефеидите са в изобилие в нашата собствена галактика, но могат да се видят и в далечни галактики.

Изграждането на стълбата на космическото разстояние включва преминаване от нашата Слънчева система към звездите до близките галактики към далечните. Всяка „стъпка“ носи своите собствени несигурности, особено стъпките на променливата Cepheid и свръхновите стъпки; той също би бил предубеден към по-високи или по-ниски стойности, ако живеем в район с ниска плътност или свръх плътност (НАСА, ESA, A. FEILD (STSCI) и A. RIESS (STSCI / JHU))

И в някои от тези далечни галактики, съдържащи цефиди, има и свръхнове от тип Ia, за които е наблюдавано, че се появяват. Тези свръхнови могат да бъдат наблюдавани в цялата Вселена, от тук, в нашия космически двор, до галактики, разположени на много милиарди или дори десетки милиарди светлинни години.

Само с три стъпала:

  • измерване на паралакса на звездите в нашата галактика, включително някои цефеиди,
  • измерване на цефеиди в близките галактики на разстояние до 50–60 милиона светлинни години, някои от които съдържат (ed) свръхнови тип Ia,
  • и след това измерване на свръхнове от тип Ia до далечните вдлъбнатини на разширяващата се Вселена,

можем да реконструираме какъв е скоростта на разширяване днес и как този темп на разширяване се променя с течение на времето.

Моделът на акустични пикове, наблюдаван в CMB от спътника Planck, ефективно изключва Вселената, която не съдържа тъмна материя, а също така силно ограничава много други космологични параметри. (P.A.R. ADE ET AL. И СЪБИРАНЕТО НА PLANCK (2015))

2.) Ранните сигнали: алтернативно, започнете с Големия взрив и знанието, че нашата Вселена е изпълнена с тъмна материя, тъмна енергия, нормална материя, неутрино и радиация.

Какво ще се случи?

Масите ще се привлекат една друга и ще се опитат да претърпят гравитационен срив, като по-плътните региони привличат все повече и повече от заобикалящата ги материя. Но промяната на гравитацията води до промяна на налягането, което води до излъчване на радиация от тези региони, като работи за потискане на гравитационния растеж.

Забавното е това: нормалната материя има напречно сечение на взаимодействие с излъчването, но тъмната материя не. Това води до специфичен „акустичен модел“, при който нормалната материя изпитва тези отскоци и компресии от радиацията.

Илюстрация на клъстерни модели, дължащи се на акустичните колебания на Барион, където вероятността да се намери галактика на определено разстояние от която и да е друга галактика се управлява от връзката между тъмната материя и нормалната материя. С разширяването на Вселената, това характерно разстояние също се разширява, което ни позволява да измерваме константата на Хъбъл, плътността на тъмната материя и дори скаларния спектрален индекс. Резултатите са съгласни с данните на CMB и Вселената, съставена от 27% тъмна материя, за разлика от 5% нормална материя. (ZOSIA ROSTOMIAN)

Това се показва с определен набор от пикове в температурните колебания на космическия микровълнов фон и специфична скала на разстоянието, където е по-вероятно да намерите галактика, отколкото по-близо или по-далече. С разширяването на Вселената тези акустични мащаби се променят, което би трябвало да доведе до сигнали както в космическия микровълнов фон (две изображения нагоре), така и в скалите, в които галактиките се струпват (едно изображение нагоре).

Измервайки какви са тези мащаби и как се променят с разстояние / червено изместване, можем да получим и скорост на разширение за Вселената. Докато методът на разстоянието на стълбата дава скорост от около 73 ± 2 км / с / Mpc, и двата метода за ранен сигнал дават 67 ± 1 km / s / Mpc. Номерата са различни и не се припокриват.

Съвременни напрежения на измерване от стълбата на разстоянието (червено) с данни на CMB (зелено) и BAO (синьо). Червените точки са от метода на стълбата на разстояние; зеленото и синьото са от методите „остатъчна реликва“ или „ранен сигнал“. Обърнете внимание, че грешките при измерванията в червено срещу зелено / синьо не се припокриват. (AUBOURG, ÉRIC ET AL. PHYS.REV. D92 (2015) NO.12, 123516.)

Има много потенциални обяснения. Възможно е близката Вселена да има различни свойства от свръхдалечната, ранната Вселена и така двата екипа са правилни. Възможно е тъмната материя или тъмната енергия (или нещо, което ги имитира) с течение на времето се променят, което води до различни измервания с помощта на различни методи. Възможно е да има някаква нова физика или нещо, което влачи във Вселената отвъд космическия хоризонт. Или може би, че има някакъв фундаментален недостатък в нашите космологични модели.

Но тези възможности са фантастичните, зрелищните, сензационните. Те могат да получат преобладаващото мнозинство от пресата и престиж, тъй като са въображаеми и умни. Но има и много по-светска възможност, която е много по-вероятна: Вселената е просто една и съща навсякъде и една от методите за измерване е по своята същност пристрастна.

Преди Planck най-доброто съответствие с данните показваше параметър на Hubble приблизително 71 km / s / Mpc, но стойността от приблизително 70 или повече сега би била твърде голяма и за плътността на тъмната материя (x-ос), която имаме виждан чрез други средства и скаларния спектрален индекс (дясна страна на оста Y), който се нуждаем от мащабната структура на Вселената, за да има смисъл. (P.A.R. ADE ET AL. И СЪБИРАНЕТО НА PLANCK (2015))

Трудно е да се идентифицират потенциалните отклонения при ранните методи на сигнала, защото измерванията от WMAP, Planck и Sloan Digital Sky Survey са толкова точни. В космическия микровълнов фон например сме измерили много добре плътността на материята на Вселената (около 32% ± 2%) и скаларния спектрален индекс (0,968 ± 0,010). При тези измервания е много трудно да се получи цифра за константата на Хъбъл, която е по-голяма от около 69 km / s / Mpc, което наистина е горната граница.

Там може да има грешки, които ни предубеждават, но ни е трудно да изброим какви биха могли да бъдат те.

Два различни начина за създаване на супернова тип Ia: сценарий за нарастване (L) и сценарий за сливане (R). Все още не е известно кой от тези два механизма се среща по-често при създаването на събития на свръхновата тип Ia или дали има неразкрит компонент на тези експлозии. (НАСА / CXC / М. WEISS)

За метода на дистанционната стълба обаче те са изобилни:

  • Нашите паралакс методи могат да бъдат отклонени от гравитацията от нашия местен слънчев квартал; огънатото космическо време, заобикалящо нашето Слънце, може да променя систематично нашите разстояния.
  • Ние сме ограничени в разбирането си за цефеидите, включително и факта, че има два вида от тях и някои от тях се намират в непокътнати среди.
  • И свръхновите тип Ia могат да бъдат причинени или от натрупване на бели джуджета, или от сблъскване и сливане на бели джуджета, средата, в която се намират, може да се развие с течение на времето и все още може да има повече за мистерията как са направени, отколкото ние сега разбере.

Разминаването между тези два различни начина за измерване на разширяващата се Вселена може просто да бъде отражение на нашата свръх увереност в това колко малки са нашите грешки в действителност.

3D реконструкцията на 120 000 галактики и техните групиращи свойства, се основава на червеното им изместване и мащабната структура на структурата. Данните от тези проучвания ни позволяват да заключим скоростта на разширяване на Вселената, която е в съответствие с измерванията на CMB, но не и с измерванията на стълбата на разстоянието. (JEREMY TINKER И СЪБИРАНЕТО SDSS-III)

Въпросът колко бързо се разширява Вселената е този, който притесни астрономите и астрофизиците, откакто сме се развили за първи път. Невероятно постижение е, че множество независими методи дават отговори, които са в рамките на 10%, но те не са съгласни един с друг и това е тревожно.

Ако има грешка в паралакса, цефеиди или свръхнови, скоростта на разширяване може наистина да е в долния край: 67 km / s / Mpc. Ако е така, Вселената ще падне в ред, когато установим грешката си. Но ако групата Cosmic Microwave Background сбърка и скоростта на разширение е по-близка до 73 km / s / Mpc, това предвещава криза в съвременната космология. Вселената не може да има плътност на тъмната материя и първоначалните колебания 73 km / s / Mpc биха означавали.

Или единият екип е направил неидентифицирана грешка, или нашето схващане за Вселената се нуждае от революция. Залагам на първия.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги, „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.