Na vesmíru se něco děje.
Může to být něco malého: problém s měřením, který způsobuje, že určité hvězdy vypadají blíže nebo dále, než jsou, může astrofyzik pomocí několika vyladění opravit, jak měří vzdálenosti v prostoru. Může to být něco velkého: chyba - nebo řada chyb - v kosmologii nebo naše chápání původu a vývoje vesmíru. Pokud je tomu tak, může být celá naše historie prostoru a času zmatená. Ale ať už jde o jakýkoli problém, způsobuje to, že klíčová pozorování vesmíru nesouhlasí navzájem: Měřená jedna cesta, vesmír vypadá, že se rozšiřuje určitou rychlostí; měřeno jiným způsobem, zdá se, že vesmír se rozšiřuje jinou rychlostí. A jak ukazuje nový dokument, tyto nesrovnalosti se v posledních letech prohloubily, i když byla měření přesnější.
„Myslíme si, že pokud je naše chápání kosmologie správné, měla by nám všechna tato různá měření dávat stejnou odpověď,“ řekla Katie Mack, teoretická kosmologka na Severní Karolínské státní univerzitě (NCSU) a spoluautorka nového příspěvku. .
Dvě nejslavnější měření fungují velmi odlišně. První se spoléhá na kosmické mikrovlnné pozadí (CMB): mikrovlnné záření zbylé z prvních okamžiků po Velkém třesku. Kosmologové postavili teoretické modely celé historie vesmíru na základech CMB - modelech, kterým jsou velmi jistí, a to by vyžadovalo přerušení zcela nové fyziky. Dohromady Mack řekl, že produkují přiměřeně přesné číslo pro Hubbleovu konstantu neboli H0, která určuje, jak rychle se vesmír v současné době rozšiřuje.
Druhé měření využívá supernovy a blikající hvězdy v blízkých galaxiích, známých jako Cefeidy. Měřením toho, jak daleko jsou tyto galaxie od našich vlastních a jak rychle se od nás vzdálí, astronomové získali to, o čem věří, že je velmi přesným měřením Hubbleovy konstanty. A tato metoda nabízí jinou H0.
„Pokud dostáváme různé odpovědi, znamená to, že něco, co nevíme,“ řekl Mack Live Science. „Takže nejde jen o pochopení současné míry expanze vesmíru - což je něco, o co se zajímáme -, ale také o pochopení toho, jak se vesmír vyvinul, jak se vyvinula expanze a jaký vesmírný čas to všechno dělal. čas."
Weikang Lin, také kosmolog na NCSU a hlavní autor článku, řekl, že aby se vytvořil úplný obraz problému, tým se rozhodl zaokrouhlit všechny různé způsoby „omezování“ H0 na jednom místě. Příspěvek ještě nebyl formálně recenzován nebo publikován a je k dispozici na serveru předtisku arXiv.
Tady je to, co „omezující“ znamená: Měření ve fyzice zřídka objeví přesné odpovědi. Místo toho omezují rozsah možných odpovědí. A když se podíváte na tato omezení společně, můžete se dozvědět hodně o něčem, co studujete. Například při pohledu přes jeden dalekohled byste se mohli dozvědět, že bod světla v prostoru je buď červený, žlutý nebo oranžový. Další vám může říct, že je jasnější než většina ostatních světel ve vesmíru, ale méně jasná než slunce. Další vám může říct, že se pohybuje po obloze jako rychle planeta. Žádné z těchto omezení by vám to samo o sobě neřeklo, ale dohromady naznačují, že se díváte na Mars.
Lin, Mack a jejich třetí spoluautor, postgraduální student NCSU Liqiang Hou, se podívali na omezení na dvou konstantách: H0, a něco, co se nazývalo „hromadný zlomek“ vesmíru, označený jako Ωm, který vám říká, kolik z vesmíru je energie a kolik je hmoty. Řada měření H0 také omezuje Ωm, řekl Lin, takže je užitečné se na ně dívat společně.
To vytvořilo tento barevný děj:
Roztažený purpurový ovál označený WMAP je rozsah možných hmotnostních frakcí a Hubbleových konstant, které byly možné na základě hlavní minulé studie NASA CMB, známé jako Wilkinsonova mikrovlnná anizotropní sonda. Žlutý sloupec označený CV SN (zkratka pro "Cefeidem kalibrovaný Supernova typu Ia") odkazuje na měření Cepheid-supernova, která neomezují hmotnostní zlomek vesmíru, ale omezují H0. Červený pruh označený SN P (zkratka pro „typ Ia Supernovae Pantheon“) je hlavním omezením hmotnostního zlomku vesmíru.
Vidíte, že okraje WMAP a CV SN se překrývají, většinou mimo červený pruh. To byl obrázek nesrovnalosti před několika lety, řekl Mack: Je to dost významné na to, aby se obávali, že obě měření ukazovala různé odpovědi, ale nebyla tak významná, aby je učinila nekompatibilními s trochou vyladění.
Ale v posledních letech došlo k novému měření CMB od skupiny s názvem Planck Collaboration. The Planck Collaboration, která vydala svůj nejnovější datový soubor v roce 2018, kladla velmi přísná omezení na hmotnostní zlomek a rychlost expanze vesmíru, označovanou černou třídou na pozemku označeném Planck.
Nyní autoři psali, objevují se dva divoce odlišné obrázky vesmíru. Planck a WMAP - spolu s řadou dalších přístupů k omezení H0 a Ωm - jsou víceméně kompatibilní. Na pozemku je místo v kruhu bílých pomlček, kde všichni umožňují podobné odpovědi na to, jak rychle se vesmír rozšiřuje a kolik z toho je vyrobeno z hmoty. Vidíte, že téměř všechny tvary na pozemku procházejí tímto kruhem.
Ale nejpřímější měření založené na skutečném studiu toho, jak daleko jsou věci v našem místním vesmíru a jak rychle se pohybují, nesouhlasí. Cepheidova měření je na pravé straně a ani přerušovaná kružnice neprochází ani její chybové pruhy (slabé žluté bity, označující rozsah pravděpodobných hodnot). A to je problém.
„Jen v posledních několika měsících došlo v této oblasti k velké aktivitě,“ řekla Risa Wechsler, kosmologka na Stanfordské univerzitě, která se tohoto dokumentu nezúčastnila. „Takže je opravdu hezké vidět všechno shrnuté. Rámec to z hlediska H0 a Ωm, což jsou základní parametry, je opravdu vyjasňující.“
Přesto Wechsler řekl Live Science, že je důležité neskočit na žádné závěry.
„Lidé jsou nadšení, protože to může znamenat, že existuje nová fyzika, a to by bylo opravdu vzrušující,“ řekla.
Je možné, že model CMB je nějakým způsobem špatný, a to vede k nějaké systematické chybě v tom, jak fyzikové chápou vesmír.
"Všichni by si to zamilovali. Fyzici milují zlomit své modely," řekl Wechsler. "Ale tento model zatím funguje docela dobře, takže moje předchozí je, že musí existovat docela silné důkazy, které mě přesvědčí."
Studie ukazuje, že by bylo obtížné spojit měření Cepheida z místního vesmíru se všemi ostatními zavedením pouze jednoho nového kusu fyziky, řekl Mack.
Je možné, Mack řekl, že výpočet supernovas-Cepheid je prostě špatný. Možná fyzici špatně měří vzdálenosti v našem místním vesmíru, což vede k nesprávnému výpočtu. Těžko si však představit, co by bylo takové přepočítání, řekla. Spousta astrofyziků změřila místní vzdálenosti od nuly a přišla s podobnými výsledky. Jednou z možností, kterou autoři vznesli, je jen to, že žijeme v divném kusu vesmíru, kde je méně galaxií a méně gravitace, takže naše okolí se rozšiřuje rychleji než vesmír jako celek.
Odpověď na tento problém by mohla být hned za rohem. Ale s větší pravděpodobností je to roky nebo desetiletí pryč.
„Je to buď něco nového ve vesmíru, nebo je to něco, čemu o našich měřeních nerozumíme,“ řekla.
Wechsler řekla, že by na ni vsadila - že pravděpodobně existuje něco, co není úplně v pořádku, pokud jde o chybové pruhy kolem některých zúčastněných měření, a že jakmile jsou tato rozlišení vyřešena, obraz se hodí lépe.
Následující měření mohou objasnit rozpor - buď jej vysvětlují, nebo zvyšují, což naznačuje, že je nutné nové pole fyziky. Velký dalekohled Synoptického průzkumu, který má být uveden do provozu v roce 2020, by měl najít stovky milionů supernov, což by mělo výrazně zlepšit datové sady, které astrofyzici používají k měření vzdáleností mezi galaxiemi. Nakonec, Mack řekl, budou studie gravitačních vln dost dobré, aby omezily také expanzi vesmíru, což by mělo kosmologii přidat další úroveň přesnosti. Fyzikové možná říkají, že po silnici mohou vyvinout nástroje, které jsou dostatečně citlivé na to, aby sledovaly, jak se objekty v reálném čase od sebe vzdálí.
Zatím však kosmologové stále čekají a přemýšlejí, proč jejich měření vesmíru nedávají dohromady smysl.
