Vi får noe galt med universet.
Det kan være noe lite: et måleproblem som får bestemte stjerner til å se nærmere eller lenger vekk enn de er, noe astrofysikere kan fikse med noen få justeringer til hvordan de måler avstander over rommet. Det kan være noe stort: en feil - eller serie feil - i kosmologien, eller vår forståelse av universets opprinnelse og evolusjon. Hvis det er tilfelle, kan det hende at hele historien vår om rom og tid blir rotet. Men uansett hva problemet er, er det å gjøre viktige observasjoner av universet uenige med hverandre: Målt på en måte ser det ut til at universet ekspanderer i en viss takt; målt på en annen måte, ser det ut til at universet ekspanderer i en annen hastighet. Som en ny artikkel viser, har avvikene blitt større de siste årene, selv om målingene har blitt mer presise.
"Vi tror at hvis vår forståelse av kosmologi er riktig, så burde alle disse forskjellige målingene gi oss det samme svaret," sa Katie Mack, en teoretisk kosmolog ved North Carolina State University (NCSU) og medforfatter til den nye artikkelen .
De to mest kjente målingene fungerer veldig forskjellig fra hverandre. Den første er avhengig av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB): mikrobølgestrålingen som er igjen fra de første øyeblikkene etter Big Bang. Kosmologer har bygget teoretiske modeller av hele universets historie på et CMB-fundament - modeller de er veldig sikre på, og som vil kreve en helt ny fysikk å bryte. Og sammen, sa Mack, produserer de et rimelig presist tall for Hubble-konstanten, eller H0, som styrer hvor raskt universet for tiden utvider seg.
Den andre målingen bruker supernovaer og blinkende stjerner i nærliggende galakser, kjent som Cepheids. Ved å måle hvor langt disse galaksene er fra våre egne, og hvor raskt de beveger seg bort fra oss, har astronomer fått det de mener er en veldig presis måling av Hubble-konstanten. Og den metoden tilbyr en annen H0.
"Hvis vi får forskjellige svar, betyr det at det er noe vi ikke vet," sa Mack til Live Science. "Så dette handler egentlig om ikke bare å forstå den nåværende ekspansjonshastigheten til universet - som er noe vi er interessert i - men å forstå hvordan universet har utviklet seg, hvordan ekspansjonen har utviklet seg og hva rom-tid har gjort alt dette tid."
Weikang Lin, også kosmolog ved NCSU og hovedforfatter av papiret, sa at for å utvikle et fullstendig bilde av problemet, bestemte teamet å avrunde alle de forskjellige måtene å "begrense" H0 på ett sted. Oppgaven er foreløpig ikke blitt peer review eller publisert, og er tilgjengelig på forhåndstrykkserveren arXiv.
Her er hva "begrensning" betyr: Målinger i fysikk dukker sjelden opp eksakte svar. I stedet setter de grenser for omfanget av mulige svar. Og ved å se på disse begrensningene sammen, kan du lære mye om noe du studerer. Ser du for eksempel gjennom et teleskop, kan du lære at et lyspunkt i rommet enten er rødt, gult eller oransje. En annen kan fortelle deg at den er lysere enn de fleste andre lys i rommet, men mindre lys enn solen. En annen kan fortelle deg at den beveger seg over himmelen så fort en planet. Ingen av disse begrensningene vil fortelle deg mye på egen hånd, men samlet foreslår de at du ser på Mars.
Lin, Mack og deres tredje medforfatter, NCSU-forskerstudent Liqiang Hou, så på begrensningene for to konstanter: H0, og noe som kalles universets "massefraksjon", betegnet som Ωm, som forteller deg hvor mye av universet er energi, og hvor mye som betyr noe. Mange målinger av H0 begrenser også Ωm, sa Lin, så det er nyttig å se på dem sammen.
Som produserte denne fargerike plottet:
Den strukkede magenta oval merkede WMAP er rekke mulige massefraksjoner og Hubble-konstanter som pleide å være mulig basert på en stor tidligere NASA-studie av CMB, kjent som Wilkinson Microbølgeovn Anisotropy Probe. Den gule kolonnen merket CV SN (forkortelse for "Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae") refererer til Cepheid-supernova-målingene, som ikke begrenser massefraksjonen i universet, men begrenser H0. Den røde linjen merket SN P (forkortelse for "Type-Ia Supernovae Pantheon") er en viktig begrensning for massefraksjonen i universet.
Du kan se at kantene på WMAP og CV SN overlapper hverandre, stort sett utenfor den røde linjen. Det var bildet av avviket for noen år siden, sa Mack: Betydelig nok til å bekymre seg for at de to målingene viste forskjellige svar, men ikke så betydningsfulle at de ble uforenlige med litt finjustering.
Men de siste årene har det vært en ny måling av CMB fra en gruppe som heter Planck Collaboration. Planck Collaboration, som ga ut sitt nyeste datasett i 2018, satte svært strenge begrensninger for massefraksjonen og utvidelsesgraden av universet, betegnet med den svarte spalten på tomten merket Planck.
Nå, forfatterne skrev, dukker det opp to vilt forskjellige bilder av universet. Planck og WMAP - sammen med en rekke andre tilnærminger til å begrense H0 og Ωm - er alle mer eller mindre kompatible. Det er et sted på plottet, i sirkelen av hvite streker, der de alle gir mulighet for lignende svar for hvor raskt universet ekspanderer og hvor mye av det er laget av materie. Du kan se at nesten alle figurene på plottet passerer gjennom den sirkelen.
Men den mest direkte målingen, basert på å faktisk studere hvor langt unna ting er i vårt lokale univers og hvor fort de beveger seg, er ikke enig. Cepheid-målingen er langt ut på høyre side, og ikke engang dens feilstenger (svake gule biter, som angir området for sannsynlige verdier) går gjennom den stiplede sirkelen. Og det er et problem.
"Det har vært mye aktivitet på dette området bare de siste månedene," sa Risa Wechsler, kosmolog ved Stanford University som ikke var involvert i denne artikkelen. "Så det er veldig hyggelig å se alt oppsummert. Å innrammere det i form av H0 og Ωm, som er grunnleggende parametere, er virkelig avklaring."
Fortsatt, sa Wechsler til Live Science, at det er viktig å ikke hoppe til noen konklusjoner.
"Folk er spent på dette fordi det kan bety at det er ny fysikk, og det ville være veldig spennende," sa hun.
Det er mulig at CMB-modellen bare er feil på noen måte, og det fører til en slags systematisk feil i hvordan fysikere forstår universet.
"Alle ville elske det. Fysikere elsker å bryte modellene sine," sa Wechsler. "Men denne modellen fungerer ganske bra så langt, så min tidligere er at det må være ganske sterke bevis for å overbevise meg."
Studien viser at det ville være vanskelig å matche Cepheid-målingen fra det lokale universet med alle de andre ved å introdusere bare et nytt stykke fysikk, sa Mack.
Det er mulig, sa Mack, at beregningen av supernovas-Cepheid bare er feil. Kanskje må fysikere måle avstander i vårt lokale univers feil, og det fører til en feilberegning. Det er vanskelig å forestille seg hva den feilberegningen ville være, sa hun. Mange astrofysikere har målt lokale avstander fra bunnen av og har kommet med lignende resultater. En mulighet forfatterne hevet er bare at vi lever i en underlig del av universet der det er færre galakser og mindre tyngdekraft, slik at nabolaget vårt ekspanderer raskere enn universet som helhet.
Svaret på problemet, sa hun, kunne være rett rundt hjørnet. Men mer sannsynlig er det år eller tiår unna.
"Det er enten noe nytt i universet, eller det er noe vi ikke forstår om målingene våre," sa hun.
Wechsler sa at hun vil satse på sistnevnte - at det sannsynligvis ikke er noe riktig med feilstengene rundt noen av målingene som er involvert, og at når de først er løst, vil bildet passe bedre sammen.
Kommende målinger kan tydeliggjøre motsetningen - enten å forklare den bort eller øke den, og antyde at et nytt fysikkfelt er nødvendig. The Large Synoptic Survey Telescope, planlagt å komme på nett i 2020, bør finne hundrevis av millioner supernovaer, noe som enormt skulle forbedre datasettene astrofysikere bruker for å måle avstander mellom galakser. Etter hvert, sa Mack, vil gravitasjonsbølgestudier bli gode nok til å begrense utvidelsen av universet også, noe som burde tilføre kosmologien et nytt presisjonsnivå. Underveis, sa hun, kunne fysikere til og med utvikle instrumenter som er følsomme nok til å se objekter utvide seg fra hverandre i sanntid.
Men for øyeblikket venter fortsatt kosmologer og lurer på hvorfor målingene deres av universet ikke gir mening sammen.
