Modellen antyder, hvordan tidlig mørk energi kunne løse Hubble-spændingen

Universet udvider sig konstant, men den nøjagtige hastighed, hvormed det gør det, forbliver uklart, og er indtil videre kun blevet tilnærmet ved hjælp af NASAs Hubble-rumteleskop og andre lignende instrumenter. I øvrigt, i de seneste år, astronomer, der bruger Hubble-teleskopet, har afsløret en uoverensstemmelse mellem de to primære teknikker, der bruges til at estimere universets ekspansionshastighed.

I det væsentlige, målinger indsamlet af Hubble-teleskopet tyder på, at universet udvider sig meget hurtigere, end hvad der udledes af observationer af kosmisk mikrobølgebaggrund (CMB). Denne uoverensstemmelse, omtalt som Hubble-spændingen, har vakt en voksende interesse inden for fysikforskningsmiljøet, alligevel har forsøg på at løse det indtil videre været forgæves.

Forskere ved Johns Hopkins University og Swarthmore College har for nylig foreslået og testet en alternativ model, der kunne løse Hubble-spændingen. I deres undersøgelse, beskrevet i et papir udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , forskerne med succes anvendte en model af mørk energi, som tidligere blev præsenteret af Marc Kamionkowski (en af ​​forfatterne), som beskriver det som udviklende, men ikke-interaktivt for Hubble-spændingen.

"På trods af den manglende succes, tidligere forsøg på at løse Hubble-spændingen gjorde det muligt for os at forstå nogenlunde, hvilke egenskaber en løsning skulle have, "Vivian Poulin, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "På samme tid, vi arbejdede på at teste konsekvenserne af strengteori med kosmologiske observerbare, som forudsiger eksistensen af ​​et "aksevers, "dvs. et stort antal ekstremt lette partikler med meget ejendommelige fysiske egenskaber. Vi indså, at en simpel modifikation af disse partiklers fysiske egenskaber gav dem de egenskaber, vi havde brug for i forbindelse med Hubble-spændingen. Dermed, vi besluttede at skubbe fremad i denne retning og teste denne alternative model."

Poulin og hans kolleger er teoretiske kosmologer, så de byggede ikke et instrument til at teste deres ideer. I stedet, de brugte data indsamlet under anerkendte forskningssamarbejder såsom Plancks CMB-observationer og SH0ES H0-målingerne. Ved at bruge disse tidligere indsamlede data, forskerne anvendte en model for tidlig mørk energi (EDE) på Hubble-spændingen.

Mørk energi er et vedvarende mysterium inden for den nuværende kosmologiske forståelse, på trods af at den omfatter cirka 70 procent af universets energitæthed. Det blev først opdaget i 1998 af Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter og deres respektive hold under deres supernovaobservationer.

"En EDE betyder bare, at disse partikler, i den kosmologiske sammenhæng, fungere som en mørk energikomponent (dvs. en væske med undertryk) på meget tidligere tidspunkt end den nuværende mørke energi gør, Poulin forklarede. "I praksis, disse partikler ændrer udvidelseshastigheden af ​​universet omkring det tidspunkt, hvor CMB-fotoner blev udsendt (dvs. kun 380,- 000 år efter Big Bang) øge det lidt (med omkring 3 procent) sammenlignet med standardforudsigelsen."

I deres undersøgelse, Poulin og hans kolleger beregnede, hvordan CMB ville se ud i nærvær af en EDE-komponent. I betragtning af præcisionen af ​​de data indsamlet af Planck og brugt i deres beregninger, forskernes forudsigelser var ret detaljerede.

"Vi skulle finde ud af præcis, hvordan vores model ville opføre sig, udvikle sig og svinge, og hvordan det ville påvirke den kosmiske mikrobølgebaggrund, det ældste lys i universet, "Tanvi Karwal, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "CMB er kompleks, og dens form skal beregnes numerisk, så vi tilføjede kode, der beskriver EDE, til en allerede eksisterende kode for at udtrække kosmologisk information fra CMB."

Poulin, Karwal og deres kolleger brugte en supercomputer til at prøve hundredtusindvis af forskellige kosmologier. Dette gjorde det muligt for dem at identificere den kosmologi, der bedst passer til eksisterende observationer af universet. De fandt ud af, at denne nye kosmologiske model, som inkluderer en EDE-komponent, kunne løse Hubble-spændingen.

I det væsentlige, forskerne observerede, at en lille ændring af universets ekspansionshastighed i den fjerne fortid, som produceret af en EDE, kunne løse Hubble-spændingen. Det er muligt, at den faktiske model, der blev testet i deres undersøgelse, som blot er en såkaldt legetøjsmodel, er ikke realiseret i naturen.

"Dette er ikke problematisk, fordi i kosmologi, Det, der virkelig betyder noget, er de dynamiske egenskaber af et ensemble af disse partikler (mere præcist, det er deres samlede energitæthed og tryk), og ikke så meget deres individuelle mikrofysiske egenskaber, " sagde Poulin. "Faktisk, der er allerede alternative realiseringer af EDE foreslået efter vores arbejde blev offentliggjort, hvis kollektive egenskaber ligner den, vi foreslog."

Samlet set, Poulins værk, Karwal og deres kolleger hjælper med den nuværende forståelse af, hvornår og hvor meget EDE må have været dynamisk vigtig, som i sidste ende kunne informere udviklingen af ​​mere effektive kosmologiske modeller. I betragtning af nøjagtigheden af ​​Planck-data, det er meget ikke-trivielt, at en væske, der repræsenterer op til 10 procent af universets energitæthed på meget tidlige tidspunkter, ikke ville påvirke CMB væsentligt, viser således, at det kræver betydelige numeriske beregninger.

"Mit vigtigste bud på dette projekt er, at unormale kosmologiske observationer kan hjælpe os med at udforske ny fysik, " sagde Karwal. "Denne forskning har inspireret andre grupper til at undersøge lignende modeller af EDE som en løsning på Hubble-spændingen. Vi har noget mere arbejde at gøre med at forfine og forstå vores EDE-model, men er også interesseret i forskellige løsninger på Hubble-spændingen i det hele taget."

Forskerne planlægger nu at teste deres model yderligere på flere måder. Først, de vil gerne bruge det til at lære så meget som muligt om egenskaberne ved EDE. Faktisk, selvom der er en række alternative modeller af EDE, opløsningerne produceret af disse modeller er ikke så effektive som dem, der genereres af den nye. Poulin, Karwal og deres kolleger vil gerne forstå, hvorfor deres model producerer bedre forudsigelser, da deres resultater fremhæver datas følsomhed over for egenskaberne ved EDE.

"Vi ønsker også at se, om der er yderligere signaturer af disse partikler i kosmologiske observerbare, " sagde Poulin. "For eksempel, vi indså allerede, at næste generation af CMB-eksperimenter (såsom Simons Observatory og CMBS4) kunne teste denne model uafhængigt af supernovaobservationerne. Det betyder, at man utvetydigt kunne fortælle, at denne væske findes i naturen uden at skulle påkalde Hubble-spændingen. Men vi viste også, at disse modeller kan påvirke de statistiske egenskaber af ensembler af galakser, som vi har adskillige observationer til."

I fremtiden, nye data indsamlet ved hjælp af ruminstrumenter såsom EUCLID-satellitten og LSST-teleskopet kan forbedre nøjagtigheden og omfanget af de målinger, som dette team af forskere har indsamlet. Forskerne mener, at disse observationer også kunne indeholde fingeraftrykket af EDE, selvom at opnå en nøjagtig forudsigelse af dette fingeraftryk vil kræve yderligere arbejde, der går langt ud over de numeriske beregninger, de har udført.

© 2019 Science X Network