Bevis for anisotropi af kosmisk acceleration

Den observerede acceleration af Hubble-udvidelseshastigheden er blevet tilskrevet en mystisk "mørk energi", som angiveligt udgør omkring 70% af universet. Professor Subir Sarkar fra Rudolf Peierls Center for Teoretisk Fysik, Oxford sammen med samarbejdspartnere ved Institut d'Astrophysique, Paris og Niels Bohr Instituttet, København har brugt observationer af 740 Type Ia supernovaer til at vise, at denne acceleration er en relativt lokal effekt - den er rettet langs den retning, vi synes at bevæge os i forhold til den kosmiske mikrobølgebaggrund (som udviser en lignende dipolanisotropi). Mens den fysiske årsag til denne acceleration er ukendt, det kan ikke tilskrives mørk energi, som ville have forårsaget ens acceleration i alle retninger.

Professor Sarkar forklarer:"Den kosmologiske standardmodel hviler på den antagelse, at universet er isotropisk omkring alle observatører. Dette kosmologiske princip er en forlængelse af det kopernikanske princip - nemlig at vi ikke er privilegerede observatører. Det giver en enorm forenkling i den matematiske konstruktion af den kosmologiske model ved hjælp af Einsteins generelle relativitetsteori. Men når observationsdata fortolkes inden for denne ramme, føres vi til den forbløffende konklusion, at omkring 70 % af universet består af Einsteins kosmologiske konstant eller mere generelt "mørke energi." Dette har blevet fortolket som på grund af kvante-nulpunktsfluktuationer af vakuumet, men den tilhørende energiskala er sat af H0, den nuværende udvidelseshastighed af universet. Dette er dog en faktor på 10 ⁴⁴ under energiskalaen for partikelfysikkens standardmodel - den veletablerede kvantefeltteori, der præcist beskriver alle subatomare fænomener. Dets nulpunktsudsving har derfor en enorm energitæthed, som ville have forhindret universet i at nå sin nuværende alder og størrelse, hvis de faktisk påvirker ekspansionshastigheden via tyngdekraften. Til dette kosmologiske konstante problem skal tilføjes "hvorfor nu?" problem, nemlig hvorfor er mørk energi først kommet til at dominere universet for nylig? Det var ubetydeligt på tidligere tidspunkter, især i en alder af ~400, 000 år, hvor det oprindelige plasma afkøledes tilstrækkeligt til at danne atomer, og den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (CMB) blev frigivet (derfor er CMB ikke direkte følsom over for mørk energi)."

Det er på den baggrund, at han sammen med Jacques Colin og Roya Mohayaee (Institut d'Astrophysique, Paris) og Mohamed Rameez (Niels Bohr Institute, København), satte sig for at undersøge, om mørk energi virkelig eksisterer. Det primære bevis – belønnet med 2011 Nobelprisen i fysik – vedrører "opdagelsen af ​​den accelererede udvidelse af universet gennem observationer af fjerne supernovaer" i 1998 af to hold astronomer. Dette var baseret på observationer af omkring 60 Type Ia supernovaer, men i mellemtiden, prøven var vokset, og i 2014, dataene blev gjort tilgængelige for 740 objekter spredt over himlen (Joint Lightcurve Analysis katalog).

Forskerne så for at se, om den udledte acceleration af Hubble-udvidelseshastigheden var ensartet over himlen.

"Først, vi beregnede supernovaens rødforskydninger og tilsyneladende størrelser som målt (i det heliocentriske system), fortryder de korrektioner, der var blevet foretaget i JLA-kataloget for lokale 'ejendommelige' (ikke-Hubble) hastigheder. Dette var blevet gjort for at bestemme deres værdier i CMB-rammen, hvor universet skulle se isotropt ud - dog tidligere arbejde fra vores team havde vist, at sådanne korrektioner er mistænkelige, fordi ejendommelige hastigheder ikke falder af med stigende afstand, derfor er der ingen konvergens til CMB-rammen selv så langt ud som en milliard lysår, " siger professor Sarkar.

Mørk energi

"Da vi derefter brugte standard statistikken for estimator for maksimal sandsynlighed til at udtrække parameterværdier, vi gjorde et forbløffende fund. Supernovadataene indikerer, med en statistisk signifikans på 3,9σ, en dipolanisotropi i den udledte acceleration (se figur) i samme retning, som vi bevæger os lokalt, hvilket er angivet med en lignende, Kendt, dipol i CMB. Derimod enhver isotrop (monopol) acceleration, der kan tilskrives mørk energi, er 50 gange mindre og konsistent med at være nul ved 1,4σ. Ved det Bayesianske informationskriterium, den bedste tilpasning til dataene har, faktisk, ingen isotrop komponent. Vi viste, at det at tillade evolution med rødforskydning af de parametre, der bruges til at passe til supernova-lyskurverne, ikke ændrer konklusionen - og afviser dermed tidligere kritik af vores metode.

"Vores analyse er datadrevet, men understøtter det teoretiske forslag fra Christos Tsagas (Universitetet i Thessaloniki), at acceleration kan udledes, når vi ikke er kopernikanske observatører, som man normalt antager, men er indlejret i en lokal bulkstrøm, der deles af nærliggende galakser, som det er, Ja, observeret. Dette er uventet i den standard kosmologiske model, og årsagen til en sådan strøm forbliver uforklarlig. Men uafhængigt af det, det ser ud til, at accelerationen er en artefakt af vores lokale flow, så mørk energi kan ikke påkaldes som dens årsag.

"Der er, Ja, andre undersøgelser af vores ekspansionshistorie, f.eks. præget af baryon akustiske oscillationer (BAO) i distributionen af ​​galakser, de ældste stjerners alder, væksthastigheden af ​​struktur, etc., men sådanne data er stadig for sparsomme, og i øjeblikket lige så godt i overensstemmelse med et ikke-accelererende univers. De præcist målte temperatursvingninger i CMB er ikke direkte følsomme over for mørk energi, selvom dets tilstedeværelse normalt udledes af sumreglen, at mens CMB måler universets rumlige krumning til at være tæt på nul, dets stofindhold går ikke op i den kritiske tæthed for at gøre det sådan. Dette er, imidlertid, kun sandt under antagelserne om nøjagtig homogenitet og isotropi - som nu er i tvivl."

Professor Sarkar konkluderer:"Men der vil snart ske fremskridt. The Large Synoptic Survey Telescope vil måle mange flere supernovaer og bekræfte eller udelukke en dipol i decelerationsparameteren. Dark Energy Spectroscopic Instrument og Euclid-satellitten vil måle BAO og linser præcist. European Extremely Large Telescope vil måle 'rødforskydningsdriften' af fjerne kilder over en periode, og dermed foretage en direkte måling af universets ekspansionshistorie."