Tekniske forsøg til at lette den (kosmologiske) spænding

Takket være den svimlende vækst af kosmiske observationer og måleværktøjer og nogle nye fremskridt (primært "opdagelsen" af det, vi kalder mørkt stof og mørk energi) alt sammen på baggrund af den generelle relativitetsteori var de tidlige 2000'ere en tid, hvor intet syntes at kunne udfordrer fremme af vores viden om kosmos, dets oprindelse og dets fremtidige udvikling.

Selvom vi var klar over, at der stadig var meget at afdække, viste den tilsyneladende overensstemmelse mellem vores observationer, beregninger og teoretiske rammer, at vores viden om universet skulle vokse betydeligt og uden afbrydelser.

Men takket være stadig mere sofistikerede observationer og beregninger viste fremkomsten af ​​en tilsyneladende lille "fejl" i vores forståelse af universet sig i stand til at blokere tilsyneladende perfekt olierede gear. Først troede man, at det kunne løses med endnu mere præcise beregninger og målinger, men det var ikke tilfældet.

Den "kosmologiske spænding" (eller Hubble Tension) er en uoverensstemmelse mellem de to måder, hvorpå vi beregner den såkaldte Hubble-parameter, H₀ , som beskriver universets udvidelse.

Hubble-parameteren kan beregnes efter to stier:

• De astrofysiske observationer af himmellegemer defineret som lokale, dvs. ikke meget langt fra os:det er muligt at beregne den hastighed, hvormed legemer i forskellige afstande bevæger sig væk. Udvidelsen og H₀ i dette tilfælde beregnes ved at sammenligne hastigheder og afstande.
• Beregningerne er baseret på data fra den kosmiske mikrobølgebaggrund CMB, en svag og ekstremt fjern stråling, der går tilbage til det meget tidlige univers. De oplysninger, vi indsamler på den afstand, giver os mulighed for at beregne universets ekspansionshastighed og Hubble-parameteren.

Disse to kilder gav ikke helt ens, men meget tætte og konsistente værdier af H₀ , og på det tidspunkt så det ud til, at de to metoder viste god overensstemmelse. Bingo.

Det var omkring 2013, da vi indså, at "tallene ikke stemte." "Den uoverensstemmelse, der opstod, kan virke lille, men i betragtning af at fejlbjælkerne på begge sider bliver meget mindre, bliver denne adskillelse mellem de to målinger stor," forklarer Khalife.

De første to værdier af H₀ faktisk ikke var for præcise, og da "fejlstængerne" var store nok til at overlappe, var der håb om, at fremtidige finere mål endelig ville falde sammen. "Så kom Planck-eksperimentet, som gav meget små fejlbjælker sammenlignet med de tidligere eksperimenter", men stadig bevarede uoverensstemmelsen, hvilket gjorde håb om en nem løsning.

Planck var en satellit opsendt i rummet i 2007 for at samle et billede af CMB så detaljeret som aldrig før. Dets resultater udgivet et par år senere bekræftede, at uoverensstemmelsen var reel, og hvad der var en moderat bekymring, blev til en betydelig krise. Kort sagt:de seneste og nærmeste dele af universet, vi observerer, fortæller en anden historie, eller rettere synes at adlyde en anden fysik, end de ældste og fjerneste, en meget usandsynlig mulighed.

Hvis det ikke er et problem med målinger, så kan det være en fejl i teorien, mente mange. Den nuværende accepterede teoretiske model kaldes ΛCDM. ΛCDM er i vid udstrækning baseret på generel relativitet – den mest ekstraordinære, elegante og gentagne gange observationelt bekræftede teori om universet formuleret af Albert Einstein for mere end et århundrede siden – og tager højde for mørkt stof (fortolket som koldt og langsomt bevægende) og mørk energi som en kosmologisk konstant.

I løbet af de sidste år er forskellige alternative modeller eller udvidelser til ΛCDM-modellen blevet foreslået, men indtil videre har ingen vist sig overbevisende (eller nogle gange endda trivielt testbar) til at reducere "spændingen" markant.

"Det er vigtigt at teste disse forskellige modeller, se, hvad der virker, og hvad der kan udelukkes, så vi kan indsnævre vejen eller finde nye veje at vende os til," forklarer Khalife. I deres nye papir opstillede han og hans kolleger på baggrund af tidligere forskning 11 af disse modeller, hvilket bragte en vis orden i den teoretiske jungle, der er blevet skabt.

Modellerne blev testet med analytiske og statistiske metoder på forskellige datasæt, både fra det nære og fjerne univers, inklusive de seneste resultater fra SH₀ ES (Supernova H₀ for Equation of State) samarbejde og SPT-3G (det nye opgraderede kamera fra South Pole Telescope, der indsamler CMB). Værket blev offentliggjort i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

Tre af de udvalgte modeller, der i tidligere værker blev vist som levedygtige løsninger, blev i sidste ende udelukket af de nye data, som denne forskning overvejer. På den anden side virker de tre andre modeller stadig i stand til at reducere spændingen, men det løser ikke problemet.

"Vi fandt ud af, at de kunne reducere spændingen på en statistisk signifikant måde, men kun fordi de har meget store fejlbjælker, og de forudsigelser, de laver, er for usikre i forhold til standarderne for kosmologisk forskning," siger Khalife.

"Der er forskel på at løse og reducere:disse modeller reducerer spændingen fra et statistisk synspunkt, men de løser det ikke," hvilket betyder, at ingen af ​​dem forudsiger en stor værdi af H_{0 alene fra CMB-data. Mere generelt viste ingen af ​​de testede modeller sig bedre end de andre undersøgt i dette arbejde med hensyn til at reducere spændingen.}

"Fra vores test ved vi nu, hvilke modeller vi ikke bør se på for at løse spændingen," slutter Khalife, "og vi kender også de modeller, som vi måske kigger på i fremtiden."

Dette arbejde kunne være en base for de modeller, der vil blive udviklet i fremtiden, og ved at begrænse dem med stadig mere præcise data, kan vi rykke tættere på at udvikle en ny model for vores univers.

Flere oplysninger: Ali Rida Khalife et al., Gennemgang af Hubble-spændingsløsninger med nye SH0ES- og SPT-3G-data, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI:10.1088/1475-7516/2024/04/059. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2312.09814

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af International School of Advanced Studies (SISSA)