Kunne Early Dark Energy forklare universets mysteriums ekspansion?

I mere end et århundrede, videnskabsmænd har vidst, at universet har ekspanderet siden big bang, den oprindelige begivenhed, der startede alt for 13,8 milliarder år siden.

Men indtil videre, de har ikke været i stand til at løse et vanskeligt problem. Hvor hurtigt ekspanderer det? Det er fordi der er en forskel mellem den estimerede sats baseret på stråling, der er tilovers fra big bang, kendt som den kosmiske mikrobølge baggrund, eller CMB i videnskabelig sprogbrug, og det betydeligt hurtigere tempo baseret på observationer af supernovaer. Hastigheden af ​​universets ekspansion er kendt som Hubble Constant, så forskellen omtales som "Hubble -spændingen".

Forskere har troet på, at universets fortsatte ekspansion er drevet af en kraft kaldet mørk energi, som synes at være begyndt at vende universets deacceleration 7 eller 8 milliarder år efter big bang.

Hvad er mørk energi?

"Mørk energi er en hypotetisk energikilde i universet i dag, der, ifølge vores bedste forståelse af universet udgør cirka 70 procent af den samlede energi i universet, "forklarer Glenn Starkman, en fornem universitetsprofessor og medformand for fysikafdelingen ved Case Western Reserve University.

"Det primære bevis for dets eksistens er den accelererende ekspansion af universet, der ser ud til at have foregået de sidste mange milliarder år, "siger Starkman." At drive en sådan ekspansion kræver en energikilde, der ikke bliver mere fortyndet (eller fortyndes meget lidt), når universet udvider sig. Dette diskvalificerer de fleste energikilder - f.eks. almindelig sag, eller mørkt stof, som begge bliver mindre tætte, når universet bliver større. Den enkleste model for mørk energi er, at det er den uforanderlige energitæthed forbundet med tomt rum. Som sådan, hvis rummet udvides, densiteten af ​​mørk energi ville forblive konstant. "

Men, der er masser af ting, der er uforklarlige om mørk energi, herunder hvorfor den ikke eksisterede hele tiden. Og selv inddragelse af mørk energi i standardmodellen løser ikke forskellen mellem de to målinger af kosmisk ekspansion.

Og Early Dark Energy?

Men to nye, undersøgelser, der endnu ikke skal offentliggøres, begge baseret på data indsamlet mellem 2013 og 2016 af Atacama Cosmology Telescope (ACT), kan hjælpe med at pege på en mulig løsning på et problem. Forskere mener, at de har fundet spor af en form for "tidlig" mørk energi, der fandtes i de første 300, 000 år efter big bang. Denne nylige artikel i Nature af Davide Castelvecchi offentliggjorde først de to papirer, den ene af ACT -teamet og den anden af ​​en uafhængig gruppe, der omfattede Vivian Poulin, en astrofysiker ved universitetet i Montpellier i Frankrig, og kolleger Tristian L. Smith og Alexa Bartlett fra Swarthmore College.

Ideen om tidlig mørk energi blev oprindeligt foreslået for et par år siden af ​​Poulin, derefter en postdoktor ved Johns Hopkins University, Smith og kolleger, som en måde at løse spørgsmålet på.

"Tidlig mørk energi er et forslag til en anden form for mørk energi, dvs. ikke åbenbart relateret til den mørke energi, der forårsager dagens accelererede ekspansion, "Starkman forklarer. EDE" ville have spillet en vigtig rolle i universet for længe siden, da universet var omkring 10, 000 gange mindre og varmere end det er i øjeblikket. "Det er et koncept, han siger, der "er udtænkt til at løse visse mystiske uenigheder om historien om universets ekspansionshastighed."

Som Nature -artiklen forklarer, tidlig mørk energi ville ikke have været stærk nok til at forårsage universets accelererede ekspansion milliarder af år senere. I stedet, det ville indirekte have påvirket det, ved at forårsage blandingen af ​​elementarpartikler, eller plasma, dannet kort efter big bang, at køle hurtigere ned. At, på tur, ville påvirke, hvordan den kosmiske mikrobølgebaggrund skal måles - især målinger af universets alder og ekspansionshastighed baseret på, hvor langt lydbølger kunne rejse i plasmaet, før det afkøledes til gas - og resultere i en hurtigere ekspansionshastighed, der er tættere på til hvad astronomer beregner baseret på himmellegemer.

Tidlig mørk energi er en vanskelig teoretisk løsning, men "det er den eneste model, vi kan komme på arbejde, "som Johns Hopkins University teoretiske fysiker Mark Kamionkowski, en af ​​forfatterne til 2018 early dark energy -papiret, forklaret til naturen.

Konklusionen er ikke klar

De to undersøgelser kan hjælpe med at styrke sagen om tidlig mørk energi, men en af ​​de involverede forskere siger, at han stadig ikke er helt overbevist og advarer om, at der er brug for mere arbejde for at komme til en klar konklusion.

"Jeg har været skeptisk over for tidlige mørke energimodeller på grund af problemer, de står over for i matchende højpræcisionsmålinger af storstilet fordeling af galakser og stof i universet ('storskala struktur', eller LSS), "Columbia University assisterende professor i fysik J. Colin Hill, medforfatter af ACT-teamets undersøgelse, noter i en e -mail. (Hills spørgsmålstegn ved konceptet afspejles i dette papir, som han var medforfatter til i 2020, og i et senere papir, og han nævner også et andet papir af andre forskere, der rejser lignende komplikationer.)

"Takeaway fra de tre papirer, der er linket ovenfor, er, at de tidlige mørke energimodeller, der passer til CMB -data og Riess, et al., H0 data giver forudsigelser for LSS, der ikke matcher data fra disse undersøgelser, "Hill skriver i e -mailen." Således, vi konkluderede, at der sandsynligvis er brug for en anden teoretisk model, eller i det mindste en eller anden ændring af scenariet for tidlig mørk energi. "

I den nye undersøgelse, som Hill og ACT -kolleger netop har indsendt, de overvejede ikke LSS -data i analysen, og fokuserede i stedet næsten udelukkende på CMB -data. "Målet var virkelig at se, om Planck og ACT CMB -data gav konsistente resultater i den tidlige mørke energisammenhæng. Vi fandt ud af, at de giver noget forskellige resultater, hvilket er et stort puslespil, som vi nu arbejder hårdt på at forsøge at forstå. Fra mit perspektiv, LSS -problemet for scenariet med tidlig mørk energi forbliver uløst. "

"Ud over, Planck -dataene alene (som fortsat er det mest præcise datasæt i kosmologi) viser ikke en præference for tidlig mørk energi, "Hill forklarer." Således på trods af de hints, vi har set i ACT -dataene om tidlig mørk energi, Jeg er forsigtig med, om denne model virkelig kunne være den sidste historie. Vi skal bruge flere data for at finde ud af det. "

Hvis den eksisterede, tidlig mørk energi ville have lignet den kraft, der menes at drive universets nuværende ekspansionshastighed. Men det ville stadig kræve en betydelig nytænkning af den teoretiske model.

"Den største forskel er, at denne tidlige mørke energi kun må spille en rolle i en kort periode i kosmisk historie, og derefter skal 'forsvinde', "Siger Hill." For at opnå dette, vi konstruerer partikelfysiske modeller af et nyt felt (teknisk set et aksionlignende felt), der kortvarigt fremskynder universets ekspansion før rekombination, men derefter forsvinder hurtigt og bliver irrelevant. "

"I modsætning, det nuværende ledende billede for standard mørk energi er, at det simpelthen er en kosmologisk konstant, sandsynligvis hentet fra vakuumenergi, "Hill fortsætter." Denne form for energi ændrer sig ikke med tiden. Det er muligt, imidlertid, at standard mørk energi kan skyldes et nyt grundlæggende felt, som vi endnu ikke har forstået. I dette tilfælde, det kan godt være, at tiden udvikler sig, og det kunne således bære en vis lighed med den tidligere mørke energimodel, der er diskuteret ovenfor. "

"Igen, vi har brug for flere data for at undersøge disse spørgsmål mere præcist, og forhåbentlig finde ud af svar i det kommende årti, "Siger Hill." Heldigvis mange kraftfulde eksperimenter kommer snart online. "Han nævner faciliteter såsom Simons -observatoriet, som vil studere CMB, såvel som Rubin -observatoriet og Euklides og romerske rumteleskoper, som vil indsamle nye oplysninger om LSS. ”Det skulle være meget spændende at se, hvad vi finder, " han siger.

Her er en YouTube -video, hvor Hill diskuterer tidlig mørk energi:

Starkman siger, at det er vigtigt at være forsigtig med sådanne "ekstraordinære" påstande, medmindre beviserne er klare og overbevisende. Som han påpeger, der er også beviser mod EDE. "De nuværende resultater viser stigende spændinger mellem to eksperimentelle datasæt for observation af den kosmiske mikrobølge -baggrund - fra European Space Agency's Planck -satellit, der fløj i begyndelsen af ​​det sidste årti, og fra det nuværende Atacama Cosmology Telescope. Førstnævnte synes ikke at støtte ideen om tidlig mørk energi, mens sidstnævnte nu gør. Sådanne spændinger mellem forsøg er almindelige og frustrerende. Det er fristende at sige, at flere data fra ACT vil løse sagen, men simpelthen overvældende de færdige Planck -data med flere ACT -data vil ikke forklare, hvorfor Planck -dataene ikke favoriserer EDE. Spændingen synes sandsynligvis at kræve en revideret forståelse af et af disse eksperimenter for på en eller anden måde at give et klart tilfælde. "

Wendy Freedman, en professor i astronomi og astrofysik ved University of Chicago, der har arbejdet med at måle kosmisk ekspansion, synes det er vigtigt at forfølge forskellige alternative modeller.

Lambda Cold Dark Matter (LCDM) model

"Vi har i øjeblikket en standardmodel for kosmologi, den såkaldte lambda cold dark matter (LCDM) model, "Freedman, forfatteren til denne artikel, offentliggjort 17. september, 2021, om Hubble Constant i The Astrophysical Journal, forklarer i en e -mail. "I den model skyldes omkring 1/3 af det samlede stof + energitæthed stof (hvoraf de fleste er mørkt stof) og 2/3 skyldes en komponent i mørk energi."

"Imidlertid, på det aktuelle tidspunkt, vi kender ikke arten af ​​hverken mørkt stof eller mørk energi, "Freedman fortsætter." Alligevel giver LCDM en ekstremt god pasform til en meget bred vifte af forskellige eksperimenter og observationer. I betragtning af vores videnstilstand, det er klart vigtigt at teste standardmodellen yderligere. Den nuværende tilsyneladende uoverensstemmelse mellem værdien af ​​Hubble -konstanten udledt af CMB -målinger og nogle lokale målinger kan signalere ny fysik. Derfor siger jeg, at det er vigtigt at undersøge andre modeller ud over lambda CDM. "

Men Freedman tilføjer en vigtig advarsel:"Alternativt kan der kan være en endnu ukendt systematisk fejl, der er ansvarlig for den tilsyneladende uoverensstemmelse. Det er derfor også vigtigt at reducere usikkerheden i de nuværende Hubble -konstante målinger. "

Hvis tidlig mørk energi viser sig at have eksisteret, at regne det ind i estimatet af universets alder ville resultere i, at kosmos var 1,4 milliarder år yngre end det nuværende estimat på 13,8 milliarder år.