Målingerne af universets udvidelse går ikke sammen

Fysikere bruger to typer målinger til at beregne universets ekspansionshastighed, men deres resultater falder ikke sammen, hvilket kan gøre det nødvendigt at opdatere den kosmologiske model. "Det er som at prøve at tråde en kosmisk nål, " forklarer forsker Licia Verde fra University of Barcelona, medforfatter til en artikel om konsekvenserne af dette problem.

Mere end hundrede videnskabsmænd mødtes i sommer på Kavli Institute for Theoretical Physics ved University of California (USA) for at forsøge at afklare, hvad der sker med de uoverensstemmende data om universets ekspansionshastighed, et problem, der påvirker selve oprindelsen, vores kosmos udvikling og skæbne. Deres konklusioner er blevet offentliggjort i Natur astronomi tidsskrift.

"Problemet ligger i Hubble-konstanten (H0), en parameter, hvilken værdi - det er faktisk ikke en konstant, fordi den ændrer sig med tiden - angiver, hvor hurtigt universet i øjeblikket udvider sig, " påpeger kosmolog Licia Verde, en ICREA-forsker ved Institute of Cosmos Sciences ved University of Barcelona (ICC-UB) og artiklens hovedforfatter.

"Der er forskellige måder at måle denne mængde på, " forklarer hun, "men de kan opdeles i to hovedklasser:dem, der er afhængige af det sene univers (det tætteste på os i rum og tid) og dem, der er baseret på det tidlige univers, og de giver ikke helt det samme resultat."

Et klassisk eksempel på målinger i det sene univers er dem, der leveres af de regelmæssige pulseringer af cepheidstjerner, som astronomen Henrietta Swan Leavitt observerede for et århundrede siden, og som hjalp Edwin Hubble med at beregne afstande mellem galakser og bevise i 1929, at universet udvider sig.

Den aktuelle analyse af den variable lysstyrke af cepheider med rumteleskoper som Hubble, sammen med andre direkte observationer af objekter i vores kosmiske miljø og fjernere supernovaer, angiver, at H0-værdien er cirka 73,9 kilometer pr. sekund pr. megaparsek (en astronomisk enhed svarende til omkring 3,26 millioner lysår).

Imidlertid, målinger baseret på det tidlige univers giver en gennemsnitlig H0-værdi på 67,4 km/s/Mpc. Disse andre optegnelser, indhentet med data fra European Space Agency's Planck Satellite og andre instrumenter, opnås indirekte på grundlag af succesen af ​​den kosmologiske standardmodel (Lambda-CDM-model), som foreslår et univers bestående af 5 % atomer eller almindeligt stof, 27 % mørkt stof (består af partikler, endnu opdaget, som giver yderligere gravitationsattraktion, så galakser kan dannes og galaksehobe holdes sammen) og 68 % mørk energi, som er ansvarlig for at accelerere udvidelsen af ​​universet.

"I særdeleshed, disse målinger af det oprindelige univers fokuserer på det fjerneste lys, der kan observeres:den kosmiske mikrobølgebaggrund, produceret, da universet kun var 380, 000 år gammel, i den såkaldte rekombinationsæra (hvor protoner rekombinerede med elektroner for at danne atomer), " siger Licia Verde.

Forskeren fremhæver et relevant faktum:"Der er meget forskellige og uafhængige måder (med helt forskellige instrumenter og videnskabelige værktøjer) til at måle H0 på grundlag af det tidlige univers, og det samme gælder det sene univers. Det interessante er, at alle målinger af en type er i gensidig overensstemmelse med hinanden, med en udsøgt præcision på 1 eller 2 %, ligesom dem af den anden type, med samme store præcision; men når vi sammenligner målingerne af den ene klasse med den andens, uoverensstemmelsen opstår."

"Det ligner en lille forskel, kun 7 %, men det er vigtigt i betragtning af, at vi taler om præcision på 1 eller 2 % i værdien af ​​Hubble-konstanten, " som understreget af Licia Verde, der joker:"Det er som at prøve at tråde en 'kosmisk nål', hvor dens hul er H0-værdien, der måles i dag, og tråden er bragt af modellen fra det fjerneste univers, vi kan observere:den kosmiske mikrobølgebaggrund."

Ud over, hun påpeger nogle af konsekvenserne af uoverensstemmelsen:"Jo lavere H0 er, jo ældre er universet. Dens nuværende alder er beregnet til omkring 13,8 milliarder år i betragtning af, at Hubble-konstanten er 67 eller 68 km/s/Mpc; men hvis værdien var 74 km/s/Mpc, vores univers ville være yngre:det ville være cirka 12,8 milliarder år gammelt."

Ændring af modellen i det tidlige univers

Forfatterne påpeger i deres undersøgelse, at denne anomali ikke ser ud til at afhænge af instrumentet eller metoden, der bruges til at måle, eller på menneskeligt udstyr eller kilder. "Hvis der ikke er fejl i data eller målinger, kan det være et problem med modellen?" spørger forskeren.

"Trods alt, H0-værdierne for den oprindelige universklasse er baseret på den kosmologiske standardmodel, som er meget veletableret, meget vellykket, men som vi kan prøve at ændre lidt for at løse uoverensstemmelsen, " siger eksperten. "Men, vi kan ikke pille ved modellens egenskaber, der fungerer meget godt".

Hvis dataene fortsætter med at bekræfte problemet, teoretiske fysikere synes at være enige om, at den mest lovende måde at løse det på er at modificere modellen lige før lyset observeret af den kosmiske mikrobølgebaggrund blev dannet, dvs. lige før rekombination (hvor der allerede var 63 % mørkt stof, 15 % fotoner, 10 % neutrinoer og 12 % atomer). En af de foreslåede ideer er, at kort efter Big Bang, en intens episode af mørk energi kunne have fundet sted, der udvidede universet hurtigere end tidligere beregnet.

"Selvom det stadig er meget spekulativt, med denne finjusterede model, H0-værdien opnået med målinger baseret på det oprindelige univers kunne falde sammen med lokale målinger, " bemærker Licia Verde, som konkluderer:"Det bliver ikke nemt, men på denne måde kunne vi tråde den kosmiske nål uden at bryde det, der fungerer godt i modellen."