У нас все щось не так у Всесвіті.
Це може бути щось невелике: питання вимірювання, який робить певні зірки виглядають ближче чи далі, ніж вони, астрофізики можуть зафіксувати за допомогою декількох налаштувань того, як вони вимірюють відстані в просторі. Це може бути щось велике: помилка - чи ряд помилок - у космології, або наше розуміння походження та еволюції Всесвіту. Якщо це так, наша вся історія простору та часу може бути зіпсована. Але що б не було питання, воно робить ключові спостереження за всесвітом не погоджуються один з одним: вимірюється одним із способів, як видається, Всесвіт розширюється з певною швидкістю; іншим способом всесвіту, схоже, розширюється з різною швидкістю. Як показує новий документ, цих розбіжностей в останні роки стало більше, навіть коли вимірювання стали більш точними.
"Ми вважаємо, що якщо наше розуміння космології є правильним, то всі ці різні вимірювання повинні дати нам однакову відповідь", - сказала Кеті Мак, теоретичний космолог з Державного університету Північної Кароліни (NCSU) та співавтор нової статті .
Два найвідоміші вимірювання працюють дуже по-різному один від одного. Перший покладається на космічний мікрохвильовий фон (CMB): залишок мікрохвильового випромінювання з перших моментів після Великого вибуху. Космологи побудували теоретичні моделі всієї історії Всесвіту на фундаменті CMB - моделі, в які вони дуже впевнені, і для цього знадобиться все нова фізика, щоб зламати її. І якщо взяти разом, сказав Мак, вони дають досить точне число для постійної Хаббла, або H0, яка регулює, наскільки швидко Всесвіт розширюється в даний час.
У другому вимірюванні використовуються наднови та миготливі зірки в сусідніх галактиках, відомих як Цефеїди. Оцінюючи, наскільки ці галактики знаходяться від наших власних, і як швидко вони віддаляються від нас, астрономи отримали те, що вони вважають, дуже точне вимірювання постійної Хаббла. І цей метод пропонує інший H0.
"Якщо ми отримуємо різні відповіді, це означає, що є щось, чого ми не знаємо", - сказав Мак Live Live. "Отже, це насправді не просто розуміння поточної швидкості розширення Всесвіту - що є те, що нас цікавить, - але розуміння того, як Всесвіт розвивалася, як еволюція розвивалася, і який простір-час робив усе це час ».
Вейканг Лін, також космолог NCSU та головний автор статті, сказав, що для розробки повної картини проблеми команда вирішила зібрати всі різні способи "обмеження" H0 в одному місці. Документ ще не був офіційно перевірений або опублікований і доступний на сервері переддруку arXiv.
Ось що означає "обмежувальний": вимірювання фізики рідко виявляють точні відповіді. Натомість вони ставлять обмеження на коло можливих відповідей. І дивлячись ці обмеження разом, ви можете багато чого дізнатися про щось, що вивчаєте. Наприклад, переглядаючи один телескоп, ви можете дізнатися, що точка світла в просторі є червоною, жовтою або помаранчевою. Інший може сказати вам, що він яскравіший за більшість інших вогнів у космосі, але менш яскравий, ніж сонце. Інший може сказати вам, що він рухається по небу так швидко, як планета. Жодне з цих обмежень не дозволить вам сказати багато чого самостійно, але якщо взяти разом, вони припускають, що ви дивитесь на Марс.
Лін, Мак та їх третій співавтор, аспірант NCSU Ліцян Хоу, розглядали обмеження на дві константи: H0, і щось, що називається "масовою часткою" Всесвіту, позначається як Ωm, що говорить вам, скільки всесвіту це енергія, а скільки - матерія. Багато вимірювань H0 також обмежують Ωm, сказав Лін, тому корисно подивитися на них разом.
Це створило цей барвистий сюжет:
Розтягнута пурпурово-овальна марка WMAP - це діапазон можливих масових фракцій та констант Хаббла, який раніше був можливим на основі головного минулого дослідження NASA щодо CMB, відомого як зонд анізотропії Мікрохвильової пілки Вілкінсона. Жовтий стовпчик із позначенням CV SN (скорочення "Калібрована цефеїдом супер-Ia Supernovae") відноситься до вимірювань цефеїдів-наднової, які не обмежують масову частку Всесвіту, але обмежують H0. Червона смужка з написом SN P (скорочення "Пантеон типу Ia Supernovae") є головним обмеженням масової частки Всесвіту.
Видно, що краї WMAP та CV SN перекриваються, переважно поза червоною смугою. Це була картина розбіжності кілька років тому, Мак сказав: Достатньо вагомий, щоб турбуватися про те, що два вимірювання виявляють різні відповіді, але не настільки значні, щоб зробити їх несумісними з невеликим налаштуванням.
Але в останні роки з'явилося нове вимірювання КМВ з групи під назвою Співпраця Планка. Співпраця Планка, яка оприлюднила свій останній набір даних у 2018 році, поставила дуже суворі обмеження щодо масової частки та швидкості розширення Всесвіту, що позначається чорним повзунком на сюжеті з написом Planck.
Зараз, писали автори, з'являються дві диво різні картини Всесвіту. Планк і WMAP - поряд з низкою інших підходів до обмеження H0 і Ωm - всі більш-менш сумісні. На ділянці є місце, у колі білих тире, де всі вони дають подібні відповіді на те, як швидко Всесвіт розширюється і скільки з нього складається з матерії. Видно, що майже всі форми на сюжеті проходять через це коло.
Але найбільш пряме вимірювання, засноване на фактичному вивченні того, наскільки далекі речі у нашому локальному Всесвіті та як швидко вони рухаються, не погоджується. Вимірювання Цефеїда - це справа праворуч, і навіть пункти помилок (слабкі жовті біти, що позначають діапазон ймовірних значень) проходять через пунктирне коло. І це проблема.
"Протягом останніх кількох місяців у цій галузі було багато активності", - сказала Різа Векслер, космолог Стенфордського університету, яка не брала участь у цій роботі. "Тож насправді приємно бачити все узагальненим. Справді з'ясовується, якщо це поняття H0 та Ωm, які є основними параметрами".
І все-таки Векслер сказав Live Science, що важливо не поспішати ні з якими висновками.
"Люди в захваті від цього, тому що це може означати, що є нова фізика, і це було б дуже цікаво", - сказала вона.
Можливо, що модель CMB якимось чином помиляється, і це призводить до певної систематичної помилки в тому, як фізики розуміють Всесвіт.
"Кожен би любив це. Фізики люблять ламати свої моделі", - сказав Векслер. "Але ця модель до цих пір працює досить добре, тому моїм попередженням є те, що треба переконати мене досить сильно".
Дослідження показує, що було б складно порівняти вимірювання Цефеїда з місцевого Всесвіту з усіма іншими, запровадивши лише один новий предмет фізики, сказав Мак.
Можливо, сказав Мак, що розрахунок наднових-Цефеїдів просто неправильний. Можливо, фізики неправильно вимірюють відстані в нашому локальному Всесвіті, і це призводить до прорахунку. Важко собі уявити, що це за прорахунок, хоча вона сказала. Багато астрофізиків виміряли місцеві відстані з нуля і дійшли подібних результатів. Однією з можливих можливостей авторів є лише те, що ми живемо у дивному шматку Всесвіту, де менше галактик і меншої сили тяжіння, тому наше сусідство розширюється швидше, ніж Всесвіт у цілому.
Відповідь на проблему, за її словами, може бути просто за кутом. Але швидше за все це проходять роки чи десятиліття.
"Це або щось нове у Всесвіті, або це щось, що ми не розуміємо в наших вимірах", - сказала вона.
Векслер сказала, що зробить ставку на останнє - що, мабуть, є щось не зовсім вірно щодо смужок помилок навколо деяких замірів, і що після того, як вони будуть вирішені, картина підійде більш красиво.
Проведення вимірювань може прояснити протиріччя - або пояснити його, або посилити його, припустивши, що нове поле фізики є необхідним. У великому телескопі синоптичних досліджень, який планується вийти в Інтернет у 2020 році, слід знайти сотні мільйонів наднових, які мають значно покращити набори даних, які астрофізики використовують для вимірювання відстаней між галактиками. Зрештою, зауважив Мак, гравітаційні хвильові дослідження отримають достатню кількість, щоб також обмежити розширення Всесвіту, що повинно додати ще один рівень точності космології. За її словами, фізики можуть навіть розробити інструменти, досить чутливі, щоб спостерігати, як предмети розширюються один від одного в режимі реального часу.
Але на даний момент космологи все ще чекають і задаються питанням, чому їх вимірювання Всесвіту не мають сенсу разом.
