Vi får noget forkert ved universet.
Det kan være noget lille: et måleproblem, der får bestemte stjerner til at se nærmere eller længere væk end de er, noget astrofysikere kunne løse med et par justeringer til, hvordan de måler afstand over rummet. Det kan være noget stort: en fejl - eller en række fejl - i kosmologien eller vores forståelse af universets oprindelse og evolution. Hvis det er tilfældet, kan vores hele historie og tid blive rodet sammen. Men uanset hvad det drejer sig om, er det at gøre nøgleobservationer af universet uenige med hinanden: Målt på en måde ser universet ud til at ekspandere i en bestemt hastighed; målt på en anden måde, ser universet ud til at udvide sig i en anden hastighed. Og som et nyt papir viser, er disse uoverensstemmelser blevet større i de senere år, selv når målingerne er blevet mere præcise.
"Vi mener, at hvis vores forståelse af kosmologi er korrekt, burde alle disse forskellige målinger give os det samme svar," sagde Katie Mack, en teoretisk kosmolog ved North Carolina State University (NCSU) og medforfatter til den nye artikel .
De to mest berømte målinger fungerer meget forskelligt fra hinanden. Den første er afhængig af den kosmiske mikroovnbaggrund (CMB): mikrobølgestrålingen, der er tilbage fra de første øjeblikke efter Big Bang. Kosmologer har bygget teoretiske modeller af hele universets historie på et CMB-fundament - modeller, de er meget sikre på, og som ville kræve en helt ny fysik til at bryde. Og samlet, sagde Mack, producerer de et rimeligt præcist tal for Hubble-konstanten, eller H0, der styrer, hvor hurtigt universet i øjeblikket ekspanderer.
Den anden måling bruger supernovas og blinkende stjerner i nærliggende galakser, kendt som Cepheids. Ved at måle, hvor langt disse galakser er fra vores egne, og hvor hurtigt de bevæger sig væk fra os, har astronomer fået, hvad de mener, er en meget præcis måling af Hubble-konstanten. Og denne metode tilbyder en anden H0.
"Hvis vi får forskellige svar, betyder det, at der er noget, som vi ikke kender," fortalte Mack til Live Science. ”Så dette handler egentlig ikke kun om at forstå universets nuværende ekspansionshastighed - hvilket er noget, vi er interesseret i - men forstå hvordan universet har udviklet sig, hvordan ekspansionen har udviklet sig, og hvad rum-tid har gjort alt dette tid."
Weikang Lin, også kosmolog ved NCSU og hovedforfatter af papiret, sagde, at for at udvikle et fuldstændigt billede af problemet, besluttede teamet at afslutte alle de forskellige måder at "begrænse" H0 på ét sted. Papiret er endnu ikke formelt peer review eller offentliggjort og er tilgængeligt på fortryksserveren arXiv.
Her er, hvad "begrænsning" betyder: Målinger i fysik viser sjældent nøjagtige svar. I stedet sætter de grænser for rækkevidden af mulige svar. Og ved at se på disse begrænsninger sammen, kan du lære meget om noget, du studerer. Når du for eksempel kigger gennem et teleskop, lærer du måske, at et lyspunkt i rummet er enten rødt, gult eller orange. En anden kan fortælle dig, at det er lysere end de fleste andre lys i rummet, men mindre lyst end solen. En anden kan fortælle dig, at det bevæger sig over himlen så hurtig en planet. Ingen af disse begrænsninger ville fortælle dig meget på egen hånd, men samlet foreslår de, at du ser på Mars.
Lin, Mack og deres tredje medforfatter, NCSU-kandidatstuderende Liqiang Hou, kiggede på begrænsningerne for to konstanter: H0, og noget kaldet universets "massefraktion", betegnet som Ωm, der fortæller dig hvor meget af universet er energi, og hvor meget er sagen. Mange målinger af H0 begrænser også Ωm, sagde Lin, så det er nyttigt at se på dem sammen.
Der producerede dette farverige plot:
Den strakte magenta ovalmærkede WMAP er intervallet af mulige massefraktioner og Hubble-konstanter, der tidligere var muligt baseret på en større tidligere NASA-undersøgelse af CMB, kendt som Wilkinson Microbølgeovn Anisotropy Probe. Den gule søjle mærket CV SN (forkortelse af "Cepheid-kalibreret Type-Ia Supernovae") henviser til Cepheid-supernova-målingerne, som ikke begrænser universets massefraktion, men begrænser H0. Den røde bjælke mærket SN P (forkortelse af "Type-Ia Supernovae Pantheon") er en stor begrænsning for universets massefraktion.
Du kan se, at kanterne på WMAP og CV SN overlapper hinanden, mest uden for den røde bjælke. Det var billedet af uoverensstemmelsen for et par år siden, sagde Mack: Væsentlig nok til at bekymre sig om, at de to målinger viste forskellige svar, men ikke så betydningsfulde, at de blev uforenelige med lidt finjustering.
Men i de senere år er der sket en ny måling af CMB fra en gruppe kaldet Planck-samarbejdet. Planck Collaboration, der frigav sit seneste datasæt i 2018, satte meget strenge begrænsninger for universets massefraktion og ekspansionshastighed, betegnet med den sorte sliver på plottet mærket Planck.
Nu, forfatterne skrev, dukker to vildt forskellige billeder af universet op. Planck og WMAP - sammen med en række andre tilgange til begrænsning af H0 og Ωm - er alle mere eller mindre kompatible. Der er et sted på plottet i cirklen med hvide streger, hvor de alle giver mulighed for lignende svar på, hvor hurtigt universet ekspanderer, og hvor meget af det er lavet af stof. Du kan se, at næsten alle figurer på plottet passerer gennem denne cirkel.
Men den mest direkte måling, der er baseret på faktisk at studere hvor langt væk ting er i vores lokale univers, og hvor hurtigt de bevæger sig, er ikke enig. Cepheid-målingen er derude til højre, og ikke engang dens fejlbjælker (de svage gule bits, der angiver området for sandsynlige værdier) passerer gennem den stiplede cirkel. Og det er et problem.
"Der har været en masse aktivitet i dette område bare i de sidste flere måneder," sagde Risa Wechsler, en kosmolog ved Stanford University, der ikke var involveret i denne artikel. "Så det er virkelig rart at se alt sammenfattet. Det er virkelig afklarende at indramme det i form af H0 og Ωm, som er grundlæggende parametre."
Stadig, fortalte Wechsler Live Science, er det vigtigt ikke at hoppe til nogen konklusioner.
”Folk er begejstrede for dette, fordi det kan betyde, at der er ny fysik, og det ville være virkelig spændende,” sagde hun.
Det er muligt, at CMB-modellen bare er forkert på en eller anden måde, og det fører til en slags systematisk fejl i, hvordan fysikere forstår universet.
"Alle ville elske det. Fysikere elsker at bryde deres modeller," sagde Wechsler. "Men denne model fungerer ret godt indtil videre, så min forudgående er, at der skal være temmelig stærkt bevis for at overbevise mig."
Undersøgelsen viser, at det ville være vanskeligt at matche Cepheid-målingen fra det lokale univers med alle de andre ved kun at introducere et nyt stykke fysik, sagde Mack.
Det er muligt, sagde Mack, at beregningen af supernovas-Cepheid bare er forkert. Måske måler fysikere afstand i vores lokale univers forkert, og det fører til en forkert beregning. Det er svært at forestille sig, hvad denne beregning ville være, sagde hun. Masser af astrofysikere har målt lokale afstande fra bunden og har fundet lignende resultater. En mulighed, som forfatterne rejste, er bare, at vi lever i en underlig del af universet, hvor der er færre galakser og mindre tyngdekraft, så vores kvarter ekspanderer hurtigere end universet som helhed.
Svaret på problemet, sagde hun, kunne være lige rundt om hjørnet. Men mere sandsynligt er det år eller årtier væk.
”Det er enten noget nyt i universet, eller det er noget, vi ikke forstår om vores målinger,” sagde hun.
Wechsler sagde, at hun ville satse på sidstnævnte - at der sandsynligvis ikke er noget rigtigt ved fejlbjælkerne omkring nogle af de involverede målinger, og at når de først er løst, vil billedet passe bedre sammen.
Kommende målinger kan muligvis tydeliggøre modsætningen - enten at forklare det væk eller øge det, hvilket antyder, at et nyt fysikfelt er nødvendigt. Det store synoptiske undersøgelsesteleskop, der er planlagt til at komme online i 2020, skulle finde hundreder af millioner af supernovas, hvilket enormt skulle forbedre datasættene, som astrofysikere bruger til at måle afstanden mellem galakser. Mack sagde til sidst, gravitationsbølgerundersøgelser vil blive gode nok til at begrænse universets udvidelse, hvilket burde tilføje et andet niveau af præcision til kosmologien. Undervejs, sagde hun, kunne fysikere endda udvikle instrumenter, der er følsomme nok til at se objekter ekspandere væk fra hinanden i realtid.
Men i øjeblikket venter kosmologer stadig og undrer sig over, hvorfor deres målinger af universet ikke giver mening sammen.
