Universets ekspansionshastighed er omstridt - og vi kan have brug for ny fysik for at løse det

Næste gang du spiser en muffin med blåbær (eller chokoladechips) skal du overveje, hvad der skete med blåbærene i dejen, da den blev bagt. Blåbærene startede med at blive presset sammen, men efterhånden som muffinsen udvidede sig, begyndte de at bevæge sig væk fra hinanden. Hvis du kunne sidde på et blåbær, ville du se alle de andre bevæge sig væk fra dig, men det samme ville være tilfældet for enhver blåbær, du vælger. I denne forstand ligner galakser meget blåbær.

Siden Big Bang, universet er blevet udvidet. Det mærkelige faktum er, at der ikke er et enkelt sted, hvorfra universet udvider sig, men snarere bevæger alle galakser sig (i gennemsnit) væk fra alle de andre. Fra vores perspektiv i Mælkevejsgalaksen, det ser ud som om de fleste galakser bevæger sig væk fra os – som om vi er centrum i vores muffinlignende univers. Men det ville se nøjagtigt det samme ud fra enhver anden galakse - alt bevæger sig væk fra alt andet.

For at gøre tingene endnu mere forvirrende, nye observationer tyder på, at hastigheden af ​​denne ekspansion i universet kan være forskellig afhængig af, hvor langt væk man ser tilbage i tiden. Disse nye data, offentliggjort i Astrofysisk Journal , indikerer, at det måske er på tide at revidere vores forståelse af kosmos.

Hubbles udfordring

Kosmologer karakteriserer universets ekspansion i en simpel lov kendt som Hubbles lov (opkaldt efter Edwin Hubble – selvom mange andre faktisk foregreb Hubbles opdagelse). Hubbles lov er den observation, at fjernere galakser bevæger sig væk med en hurtigere hastighed. Det betyder, at galakser, der er tæt på, bevæger sig relativt langsomt væk til sammenligning.

Forholdet mellem hastigheden og afstanden af ​​en galakse er sat af "Hubbles konstante", hvilket er omkring 44 miles (70 km) i sekundet pr. Mega Parsec (en længdeenhed i astronomi). Hvad dette betyder er, at en galakse vinder omkring 50, 000 miles i timen for hver million lysår, den er væk fra os. På den tid, det tager dig at læse denne sætning, flytter en galakse på en million lysårs afstand sig omkring 100 miles ekstra væk.

Denne udvidelse af universet, med nærliggende galakser, der bevæger sig langsommere væk end fjerne galakser, er, hvad man forventer af et ensartet ekspanderende kosmos med mørk energi (en usynlig kraft, der får universets udvidelse til at accelerere) og mørkt stof (en ukendt og usynlig form for stof, der er fem gange mere almindelig end normalt stof). Dette er, hvad man også ville observere af blåbær i en ekspanderende muffin.

Historien om målingen af ​​Hubbles konstante har været fyldt med vanskeligheder og uventede afsløringer. I 1929, Hubble selv mente, at værdien måtte være omkring 342, 000 miles i timen per million lysår - omkring ti gange større end hvad vi måler nu. Præcisionsmålinger af Hubbles konstante gennem årene er faktisk det, der førte til den utilsigtede opdagelse af mørk energi. Jagten på at finde ud af mere om denne mystiske type energi, som udgør 70% af universets energi, har inspireret opsendelsen af ​​verdens (aktuelt) bedste rumteleskop, opkaldt efter Hubble.

Kosmisk showstopper

Nu ser det ud til, at denne vanskelighed kan fortsætte som et resultat af to meget præcise målinger, der ikke stemmer overens med hinanden. Ligesom kosmologiske målinger er blevet så præcise, at værdien af ​​Hubble-konstanten forventedes at være kendt én gang for alle, det har i stedet vist sig, at tingene ikke giver mening. I stedet for ét har vi nu to opsigtsvækkende resultater.

På den ene side har vi de nye meget præcise målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund – eftergløden fra Big Bang – fra Planck-missionen, der har målt Hubble-konstanten til at være omkring 46, 200 miles i timen per million lysår (eller ved at bruge kosmologers enheder 67,4 km/s/Mpc).

På den anden side har vi nye målinger af pulserende stjerner i lokale galakser, også ekstremt præcis, der har målt Hubble-konstanten til at være 50, 400 miles i timen pr. million lysår (eller ved at bruge kosmologers enheder 73,4 km/s/Mpc). Disse er tættere på os i tid.

Begge disse målinger hævder, at deres resultat er korrekt og meget præcist. Målingernes usikkerhed er kun omkring 300 miles i timen per million lysår, så det ser virkelig ud til, at der er en væsentlig forskel i bevægelse. Kosmologer omtaler denne uenighed som "spænding" mellem de to målinger - de trækker begge statistisk resultater i forskellige retninger, og noget skal knække.

Ny fysik?

Så hvad kommer til at snappe? I øjeblikket er juryen ude. Det kan være, at vores kosmologiske model er forkert. Det, der bliver set, er, at universet udvider sig hurtigere i nærheden, end vi ville forvente baseret på fjernere målinger. De kosmiske mikrobølge-baggrundsmålinger måler ikke den lokale ekspansion direkte, men snarere udlede dette via en model - vores kosmologiske model. Dette har været enormt vellykket til at forudsige og beskrive mange observationsdata i universet.

Så selvom denne model kan være forkert, ingen har fundet på en simpel overbevisende model, der kan forklare dette og, på samme tid, forklare alt andet, vi observerer. For eksempel kunne vi prøve at forklare dette med en ny teori om tyngdekraften, men så passer andre observationer ikke. Eller vi kunne prøve at forklare det med en ny teori om mørkt stof eller mørk energi, men så passer yderligere observationer ikke – og så videre. Så hvis spændingen skyldes ny fysik, det skal være komplekst og ukendt.

En mindre spændende forklaring kunne være, at der er "ukendte ukendte" i dataene forårsaget af systematiske effekter, og at en mere omhyggelig analyse en dag kan afsløre en subtil effekt, der er blevet overset. Eller det kunne bare være statistisk lykketræf, der forsvinder, når der er indsamlet flere data.

Det er i øjeblikket uklart, hvilken kombination af ny fysik, systematiske effekter eller nye data vil løse denne spænding, men noget skal give. Det ekspanderende muffinbillede af universet virker muligvis ikke længere, og kosmologer er i et kapløb om at vinde en "stor kosmisk bake-off" for at forklare dette resultat. Hvis der kræves ny fysik for at forklare disse nye målinger, så vil resultatet være en opsigtsvækkende ændring af vores billede af kosmos.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.