Het ontrafelen van het geheim van de steeds snellere uitdijing van het heelal

Het heelal dijt steeds sneller uit, mogelijk gedreven door donkere energie. Hubble-jitter, een discrepantie in metingen van de expansiesnelheid, daagt echter de huidige modellen uit en stimuleert een voortdurende zoektocht naar verklaringen.

Astronomen weten al tientallen jaren dat het heelal uitdijt. Wanneer ze telescopen gebruiken om verre sterrenstelsels te observeren, zien ze ze Sterrenstelsels bewegen zich weg van aarde.

Voor astronomen is de golflengte van het licht dat een sterrenstelsel uitzendt langer naarmate het sterrenstelsel zich sneller van ons verwijdert. Hoe verder een sterrenstelsel verwijderd is, hoe meer het licht ervan wordt verschoven naar de langere golflengten aan de rode kant van het spectrum – en dus hoe groter de ‘roodverschuiving’.

Tijd en afstand in het universum

Omdat de snelheid van het licht eindig en snel is, maar niet oneindig snel, betekent het zien van iets ver weg dat we naar het ding kijken zoals het er in het verleden uitzag. In verre sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving zien we het sterrenstelsel toen het heelal jonger was. Dus ‘hoge roodverschuiving’ komt overeen met vroege tijden in het universum, en ‘lage roodverschuiving’ komt overeen met late tijden in het universum.

Deze diepe veldopname, gemaakt met de James Webb Space Telescope, toont een universum vol fonkelende sterrenstelsels. Dit is het diepste en meest nauwkeurige infraroodbeeld van het verre heelal tot nu toe. Deze afbeelding van sterrenstelselcluster SMACS 0723, bekend als het First Deep Web Field, barst van de details. Afbeelding tegoed: NASA, ESA, Canadian Space Agency en STScI

Maar toen astronomen deze afstanden bestudeerden, ontdekten ze dat het universum niet alleen uitdijt, maar dat de uitdijingssnelheid ook toeneemt. Deze expansiesnelheid is sneller dan de toonaangevende theorie voorspelt Kosmologen zoals ik Verward en op zoek naar nieuwe verklaringen.

Versnelling van expansie en donkere energie

Wetenschappers noemen de bron van deze versnelling donkere energie. We weten niet helemaal zeker wat donkere energie drijft of hoe het werkt, maar we denken dat het gedrag ervan kan worden verklaard Kosmologische constantewat een is Ruimte-tijd eigendom Wat bijdraagt ​​aan de uitdijing van het heelal.

Albert Einstein bedacht deze constante oorspronkelijk en plaatste er in zijn theorie een lambda op Algemene relativiteit. Met de kosmologische constante blijft, naarmate het universum uitdijt, de energiedichtheid van de kosmologische constante hetzelfde.

Stel je een doos vol deeltjes voor. Als het volume van de doos toeneemt, zal de dichtheid van de deeltjes afnemen naarmate ze zich verspreiden en alle ruimte in de doos in beslag nemen. Stel je nu dezelfde doos voor, maar naarmate het volume toeneemt, blijft de dichtheid van de moleculen hetzelfde.

Lijkt niet intuïtief, toch? Het feit dat de energiedichtheid van de kosmologische constante niet afneemt naarmate het heelal uitdijt, is natuurlijk heel vreemd, maar deze eigenschap helpt het versnellende heelal verklaren.

Lambda CDM: het standaardmodel van de kosmologie

Momenteel is de leidende theorie, of het standaardmodel, van de kosmologie… Het heet lambda-CDMLambda verwijst naar de kosmologische constante die donkere energie beschrijft, terwijl CDM verwijst naar koude donkere materie. Dit model beschrijft de versnelling van het universum in zijn late stadia, evenals de uitdijingssnelheid in zijn vroege dagen.

Specifiek verklaart Lambda CDM waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrondstraling, de nagloed van microgolfstraling sinds het ontstaan ​​van het heelal. Hij bevond zich in een “hete en dichte” toestand.“Ongeveer 300.000 jaar later de grote explosie. notities gebruiken Planck-satellietwelke maatregelen Kosmische microgolfachtergrondHet bracht wetenschappers ertoe het Lambda CDM-model te creëren.

Door het Lambda CDM-model aan te passen aan de kosmische microgolfachtergrond kunnen natuurkundigen de waarde voorspellen van… Hubble-constantewat eigenlijk geen constante is, maar een meting die de huidige uitdijingssnelheid van het universum beschrijft.

Maar het Lambda CDM-model is niet perfect. Wetenschappers hebben de uitdijingssnelheid berekend door de afstanden tot sterrenstelsels te meten, en de uitdijingssnelheid wordt weergegeven in Lambda CDM met behulp van… Kosmische microgolfachtergrondwaarnemingen, niet in de rij staan. Astrofysici noemen dit meningsverschil Hubble-spanning.

Het universum dijt sneller uit dan populaire modellen in de kosmologie voorspellen. Krediet: NASA/WMAP Wetenschapsteam

Hubble-spanning

De afgelopen jaren ben ik dat geweest zoekmethoden Om deze spanning te verklaren Hubble. De spanning kan erop duiden dat het Lambda CDM-model onvolledig is en natuurkundigen hun model moeten aanpassen, of het kan erop duiden dat het tijd is voor onderzoekers om met nieuwe ideeën te komen over hoe het universum werkt. Nieuwe ideeën zijn altijd de meest opwindende dingen voor een natuurkundige.

Eén manier om de Hubble-spanning te verklaren is door het Lambda CDM-model aan te passen door de uitdijingssnelheid bij lage roodverschuiving, op latere tijdstippen in het universum, te veranderen. Door het model op deze manier aan te passen, kunnen natuurkundigen voorspellen welk soort fysieke verschijnselen Hubble-trekkingen kunnen veroorzaken.

Donkere energie is bijvoorbeeld misschien geen kosmologische constante, maar het resultaat van de zwaartekracht die op nieuwe manieren werkt. Als dat het geval zou zijn, zou donkere energie evolueren naarmate het universum uitdijde – en de kosmische microgolfachtergrond, die laat zien hoe het universum er slechts een paar jaar na zijn ontstaan ​​uitzag, zou een andere voorspelling hebben dan de constante van Hubble.

Maar, Het laatste onderzoek uitgevoerd door mijn team Hij ontdekte dat natuurkundigen de Hubble-tensor niet kunnen verklaren door simpelweg de uitdijingssnelheid van het late heelal te veranderen; deze hele klasse van oplossingen is ontoereikend.

Ontdek nieuwe modellen

Om de soorten oplossingen te bestuderen die de Hubble-tensor zouden kunnen verklaren, hebben we Ontwikkeling van statistische hulpmiddelen Dat stelde ons in staat de validiteit te testen van een hele klasse modellen die de uitdijingssnelheid in het late heelal veranderen. Deze statistische hulpmiddelen zijn zeer flexibel en we hebben ze gebruikt om verschillende modellen te matchen of na te bootsen die geschikt zijn voor waarnemingen van de uitdijingssnelheid van het universum en die een oplossing kunnen bieden voor de Hubble-tensor.

De modellen die we hebben getest omvatten geavanceerde modellen voor donkere energie, waarbij donkere energie zich op verschillende tijdstippen in het universum anders gedraagt. We hebben ook interactiemodellen tussen donkere energie en donkere materie getest, waarbij donkere energie interageert met donkere materie, en aangepaste zwaartekrachtmodellen, waarbij de zwaartekracht op verschillende tijdstippen in het universum anders werkt.

Maar geen van deze kan de jitter van Hubble volledig verklaren. Deze resultaten suggereren dat natuurkundigen het vroege universum moeten bestuderen om de bron van de spanning te begrijpen.

Geschreven door Ryan Kelly, postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde, Universiteit van Californië, Merced.

Aangepast van een artikel oorspronkelijk gepubliceerd in Gesprek.