У нас что-то не так во вселенной.
Это может быть что-то маленькое: проблема измерения, которая заставляет определенные звезды выглядеть ближе или дальше, чем они есть, что-то, что астрофизики могли бы исправить с помощью нескольких настроек того, как они измеряют расстояния в пространстве. Это может быть что-то большое: ошибка - или серия ошибок - в космологии, или наше понимание происхождения и эволюции вселенной. Если это так, вся наша история пространства и времени может быть испорчена. Но какова бы ни была проблема, она заставляет ключевые наблюдения вселенной не соглашаться друг с другом: измеренная одним способом, вселенная, кажется, расширяется с определенной скоростью; По-другому, кажется, что вселенная расширяется с другой скоростью. И, как показывает новая статья, эти расхождения усилились в последние годы, даже несмотря на то, что измерения стали более точными.
«Мы считаем, что если наше понимание космологии правильное, то все эти разные измерения должны дать нам один и тот же ответ», - сказала Кэти Мак, теоретик-космолог из Университета штата Северная Каролина (NCSU) и соавтор новой статьи. ,
Два самых известных измерения работают очень по-разному. Первый основан на космическом микроволновом фоне (CMB): микроволновое излучение осталось с первых мгновений после Большого взрыва. Космологи построили теоретические модели всей истории вселенной на основе CMB - модели, в которых они очень уверены, и для этого потребовалась бы совершенно новая физика. И вместе взятые, сказал Мак, они дают достаточно точное число для постоянной Хаббла, или H0, которая определяет, насколько быстро расширяется Вселенная.
Во втором измерении используются сверхновые и мигающие звезды в близлежащих галактиках, известных как цефеиды. Измеряя, как далеко эти галактики находятся от нашей, и как быстро они удаляются от нас, астрономы получили, как они считают, очень точное измерение постоянной Хаббла. И этот метод предлагает другой H0.
«Если мы получаем разные ответы, это означает, что есть что-то, чего мы не знаем», - сказал Мак. «Так что на самом деле речь идет не просто о том, чтобы понять текущую скорость расширения вселенной - это то, что нас интересует, - но и о том, как развивалась вселенная, как развивалось расширение и что все это делает пространство-время. время."
Вейканг Лин, также космолог из NCSU и ведущий автор статьи, сказал, что для разработки полной картины проблемы, команда решила собрать все различные способы «ограничения» H0 в одном месте. Документ еще не был официально рецензирован или опубликован и доступен на сервере препринтов arXiv.
Вот что означает «ограничение»: измерения в физике редко дают точные ответы. Вместо этого они ограничивают диапазон возможных ответов. И, глядя на эти ограничения вместе, вы можете многое узнать о том, что вы изучаете. Например, глядя в один телескоп, вы можете узнать, что точка света в космосе - красная, желтая или оранжевая. Кто-то может сказать вам, что он ярче, чем большинство других источников света в космосе, но менее яркий, чем солнце. Другой может сказать, что он движется по небу так же быстро, как планета. Ни одно из этих ограничений само по себе ничего не скажет, но вместе они говорят, что вы смотрите на Марс.
Лин, Мак и их третий соавтор, аспирант NCSU Лицян Хоу, рассмотрели ограничения на две константы: H0, и то, что называется «массовой долей» вселенной, обозначенной как Ωm, которая говорит вам, какая часть вселенной это энергия, а сколько это материя. По словам Линя, многие измерения H0 также ограничивают Ωm, поэтому полезно взглянуть на них вместе.
Это произвело этот красочный сюжет:
Растянутый пурпурный овал, помеченный как WMAP, представляет собой диапазон возможных массовых долей и констант Хаббла, которые раньше были возможны, основываясь на большом прошлом исследовании НАСА, посвященном CMB, известному как микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона. Желтая колонка, обозначенная CV SN (сокращение от «Сверхновые, откалиброванные по Cepheid Type-Ia»), относится к измерениям Cepheid-supernova, которые не ограничивают массовую долю вселенной, но ограничивают H0. Красная полоса с надписью SN P (сокращение от «Пантеон сверхновых типа Ia») является основным ограничением массовой доли вселенной.
Вы можете видеть, что края WMAP и CV SN перекрываются, в основном за пределами красной полосы. Это была картина несоответствия несколько лет назад, сказал Мак: «Достаточно значительным, чтобы беспокоиться о том, что два измерения приводят к разным ответам, но не настолько значительным, чтобы сделать их несовместимыми с небольшой подстройкой.
Но в последние годы появилось новое измерение CMB от группы под названием Planck Collaboration. Planck Collaboration, которая выпустила свой последний набор данных в 2018 году, наложила очень строгие ограничения на массовую долю и скорость расширения Вселенной, обозначенную черной полосой на графике, помеченном как Planck.
Теперь, как писали авторы, появляются две совершенно разные картины вселенной. Планк и WMAP - наряду с рядом других подходов к ограничению H0 и Ωm - все более или менее совместимы. На участке в круге белых черт есть место, где все они дают одинаковые ответы о том, как быстро расширяется Вселенная и как много ее состоит из материи. Вы можете видеть, что почти все фигуры на графике проходят через этот круг.
Но самое прямое измерение, основанное на фактическом изучении того, как далеко находятся вещи в нашей локальной вселенной и как быстро они движутся, не соглашается. Измерение Cepheid находится далеко справа, и даже его полосы ошибок (слабые желтые биты, обозначающие диапазон вероятных значений) не проходят через пунктирную окружность. И это проблема.
«В последние несколько месяцев в этой области велась активная деятельность», - сказала Риса Векслер, космолог из Стэнфордского университета, которая не участвовала в этой статье. «Так что очень приятно видеть, что все суммировано. Оформление его в терминах H0 и Ωm, которые являются фундаментальными параметрами, действительно проясняет».
Тем не менее, Векслер сказал Live Science, что важно не спешить с выводами.
«Люди взволнованы этим, потому что это может означать, что есть новая физика, и это было бы действительно захватывающе», сказала она.
Возможно, что модель CMB в некотором роде неверна, и это приводит к некоторой систематической ошибке в том, как физики понимают вселенную.
«Всем бы это понравилось. Физики любят ломать свои модели», - сказал Векслер. «Но эта модель до сих пор работает очень хорошо, поэтому мой предварительный аргумент заключается в том, что должно быть достаточно веских доказательств, чтобы убедить меня»
Исследование действительно показывает, что было бы трудно сопоставить измерение цефеиды из локальной вселенной со всеми остальными, представив только одну новую часть физики, сказал Мак.
Возможно, сказал Мак, что расчет сверхновых-цефеид неверен. Возможно, физики неправильно измеряют расстояния в нашей локальной вселенной, и это приводит к просчету. Трудно представить, каким будет этот просчет, сказала она. Многие астрофизики измерили локальные расстояния с нуля и пришли к аналогичным результатам. Одна возможность, о которой говорили авторы, заключается в том, что мы живем в странной части Вселенной, где меньше галактик и меньше гравитации, поэтому наше соседство расширяется быстрее, чем вселенная в целом.
По ее словам, ответ на проблему может быть не за горами. Но, скорее всего, пройдут годы или десятилетия.
«Это либо что-то новое во вселенной, либо что-то, чего мы не понимаем в наших измерениях», - сказала она.
Векслер сказала, что она будет делать ставку на последнее - что, возможно, что-то не так с полосами ошибок вокруг некоторых измерений, и что после их устранения картина будет лучше сочетаться.
Измерения могут прояснить противоречие - либо объяснить его, либо усилить, предложив новую область физики, необходимо. Большой телескоп Synoptic Survey, запланированный к запуску в 2020 году, должен найти сотни миллионов сверхновых, что должно значительно улучшить наборы данных, которые астрофизики используют для измерения расстояний между галактиками. В конце концов, сказал Мак, исследования гравитационных волн станут достаточно хорошими, чтобы ограничить расширение Вселенной, что должно добавить еще один уровень точности в космологию. В будущем, по ее словам, физики могут даже разработать инструменты, достаточно чувствительные, чтобы наблюдать, как объекты расширяются друг от друга в реальном времени.
Но на данный момент космологи все еще ждут и задаются вопросом, почему их измерения вселенной не имеют смысла вместе.
