Universet viste sig at være forkert

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Kosmologer står over for et alvorligt videnskabeligt problem, som indikerer ufuldkommenheden af menneskelig viden om universet. Kompleksiteten vedrører sådan en tilsyneladende triviel ting som universets ekspansionshastighed. Faktum er, at forskellige metoder angiver forskellige betydninger – og indtil videre kan ingen forklare den mærkelige uoverensstemmelse.

Kosmisk mysterium

I øjeblikket beskriver den standard kosmologiske model "Lambda-CDM" (ΛCDM) mest præcist universets udvikling og struktur. Ifølge denne model har universet en positiv kosmologisk konstant (lambda-term) som ikke er nul, hvilket forårsager accelereret ekspansion. Derudover forklarer ΛCDM den observerede struktur af CMB (kosmisk mikrobølgebaggrund), fordelingen af galakser i universet, overfloden af brint og andre lette atomer og selve hastigheden af vakuumudvidelsen. En alvorlig uoverensstemmelse i ekspansionshastigheden kan dog indikere behovet for en radikal ændring af modellen.

Den teoretiske fysiker Vivian Poulin fra det franske nationale center for videnskabelig forskning og laboratoriet for universet og partikler i Montpellier hævder, at det betyder følgende: Der er sket noget vigtigt i det unge univers, som vi endnu ikke kender til. Måske var det et fænomen forbundet med en ukendt type mørk energi eller en ny slags subatomære partikler. Hvis modellen tager højde for det, forsvinder uoverensstemmelsen.

På randen af en krise

En af måderne til at bestemme universets ekspansionshastighed er at studere mikrobølgebaggrunden - relikviestrålingen, der opstod 380 tusind år efter Big Bang. ΛCDM kan bruges til at udlede Hubble-konstanten ved at måle store udsving i CMB. Det viste sig at være lig med 67, 4 kilometer i sekundet for hver megaparsek, eller omkring tre millioner lysår (ved en sådan hastighed divergerer objekter fra hinanden i en passende afstand). I dette tilfælde er fejlen kun 0,5 kilometer i sekundet pr. megaparsek.

Hvis vi får omtrent den samme værdi ved hjælp af en anden metode, vil dette bekræfte gyldigheden af den standard kosmologiske model. Forskere målte den tilsyneladende lysstyrke af standard stearinlys - objekter, hvis lysstyrke altid er kendt. Sådanne objekter er for eksempel supernovaer af type Ia - hvide dværge, der ikke længere kan absorbere stof fra store ledsagerstjerner og eksplodere. Ved den tilsyneladende lysstyrke af standardstearinlys kan du bestemme afstanden til dem. Parallelt hermed kan du måle rødforskydningen af supernovaer, det vil sige forskydningen af lysets bølgelængder til det røde område af spektret. Jo større rødforskydning, jo større hastighed, hvormed objektet fjernes fra iagttageren.

Således bliver det muligt at bestemme universets ekspansionshastighed, som i dette tilfælde viser sig at være lig med 74 kilometer i sekundet for hver megaparsek. Dette stemmer ikke overens med værdierne opnået fra ΛCDM. Det er dog usandsynligt, at en målefejl kan forklare uoverensstemmelsen.

Ifølge David Gross fra Kavli Institute for Theoretical Physics ved University of California, Santa Barbara, i partikelfysik ville en sådan uoverensstemmelse ikke blive kaldt et problem, men en krise. En række videnskabsmænd var dog uenige i denne vurdering. Situationen blev kompliceret af en anden metode, som også er baseret på studiet af det tidlige univers, nemlig baryoniske akustiske svingninger - svingninger i tætheden af synligt stof, der fylder det tidlige univers. Disse vibrationer er forårsaget af plasma akustiske bølger og er altid af kendte dimensioner, hvilket får dem til at ligne standard stearinlys. Kombineret med andre målinger giver de Hubble-konstanten i overensstemmelse med ΛCDM.

Ny model

Der er en mulighed for, at forskere lavede en fejl, når de brugte Type Ia supernovaer. For at bestemme afstanden til et fjernt objekt skal du bygge en afstandsstige.

Det første trin på denne stige er Cepheiderne - variable stjerner med et præcist periode-lysstyrkeforhold. Cepheider kan bruges til at bestemme afstanden til de nærmeste supernovaer af type Ia. I en af undersøgelserne blev der i stedet for cepheider brugt røde kæmper, som på et bestemt tidspunkt i livet når maksimal lysstyrke – det er det samme for alle røde kæmper.

Som et resultat viste Hubble-konstanten sig at være 69,8 kilometer i sekundet pr. megaparsek. Der er ingen krise, siger Wendy Freedman fra University of Chicago, en af avisens forfattere.

Men der blev også sat spørgsmålstegn ved denne udtalelse. H0LiCOW-samarbejdet målte Hubble-konstanten ved hjælp af gravitationslinser, en effekt, der opstår, når et massivt legeme bøjer stråler fra et fjernt objekt bag sig. Sidstnævnte kunne være kvasarer - kernerne i aktive galakser fodret af et supermassivt sort hul. På grund af gravitationslinser kan flere billeder af en kvasar vises på én gang. Ved at måle flimmeret af disse billeder har forskerne udledt en opdateret Hubble-konstant på 73,3 kilometer i sekundet pr. megaparsek. Samtidig vidste videnskabsmænd indtil det sidste ikke det mulige resultat, hvilket udelukker muligheden for svindel.

Resultatet af måling af Hubble-konstanten fra naturlige masere dannet, når gas roterer rundt om et sort hul, viste sig at være 74 kilometer i sekundet pr. megaparsek. Andre metoder gav 76,5 og 73,6 kilometer i sekundet per megaparsek. Der opstår også problemer med at måle fordelingen af stof i universet, da gravitationslinser giver en anden værdi sammenlignet med målinger af mikrobølgebaggrunden.

Hvis det viser sig, at uoverensstemmelsen ikke skyldes målefejl, så vil en ny teori være påkrævet for at forklare alle de data, der pt er tilgængelige. En mulig løsning er at ændre mængden af mørk energi, der forårsager den accelererede udvidelse af universet. Selvom de fleste videnskabsmænd går ind for at gøre uden at opdatere fysikken, er problemet stadig uløst.