Kiderült, hogy az univerzum rossz

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A kozmológusok komoly tudományos problémával szembesülnek, ami az Univerzumról szóló emberi tudás tökéletlenségére utal. A bonyolultság egy olyan triviálisnak tűnő dologra vonatkozik, mint az Univerzum tágulási sebessége. Az a helyzet, hogy a különböző módszerek más-más jelentést jeleznek – és a furcsa eltérést egyelőre senki sem tudja megmagyarázni.

Kozmikus rejtély

Jelenleg a "Lambda-CDM" (ΛCDM) szabványos kozmológiai modell írja le a legpontosabban az univerzum evolúcióját és szerkezetét. E modell szerint az univerzumnak van egy nullától eltérő pozitív kozmológiai állandója (lambda-tag), ami felgyorsult tágulást okoz. Ezenkívül a ΛCDM megmagyarázza a CMB (kozmikus mikrohullámú háttér) megfigyelt szerkezetét, a galaxisok eloszlását az Univerzumban, a hidrogén és más könnyű atomok bőségét, valamint a vákuum tágulási sebességét. A bővülési ütemben tapasztalható komoly eltérés azonban a modell gyökeres megváltoztatásának szükségességét jelezheti.

Vivian Poulin elméleti fizikus, a Francia Nemzeti Tudományos Kutatási Központ és a montpellier-i Univerzum és Részecskék Laboratóriuma amellett érvel, hogy ez a következőket jelenti: valami fontos dolog történt a fiatal univerzumban, amiről még nem tudunk. Talán egy ismeretlen típusú sötét energia vagy egy újfajta szubatomi részecskékhez kapcsolódó jelenség volt. Ha a modell ezt figyelembe veszi, az eltérés megszűnik.

A válság küszöbén

Az Univerzum tágulási sebességének meghatározásának egyik módja a mikrohullámú háttér - az ősrobbanás után 380 ezer évvel keletkezett ereklye-sugárzás - tanulmányozása. A ΛCDM felhasználható a Hubble-állandó származtatására a CMB nagy fluktuációinak mérésével. Kiderült, hogy minden megaparszekonként 67, 4 kilométer per másodperc, vagyis körülbelül hárommillió fényév (ilyen sebesség mellett az objektumok megfelelő távolságban eltérnek egymástól). Ebben az esetben a hiba mindössze 0,5 kilométer/másodperc/megaparszek.

Ha más módszerrel körülbelül ugyanazt az értéket kapjuk, akkor ez megerősíti a standard kozmológiai modell érvényességét. A tudósok megmérték a szokásos gyertyák látszólagos fényességét - olyan tárgyakat, amelyek fényereje mindig ismert. Ilyen objektumok például az Ia típusú szupernóvák – fehér törpék, amelyek már nem képesek elnyelni az anyagot a nagy kísérőcsillagoktól, és felrobbannak. A szabványos gyertyák látszólagos fényessége alapján meghatározhatja a távolságukat. Ezzel párhuzamosan mérheti a szupernóvák vöröseltolódását, vagyis a fény hullámhosszainak eltolódását a spektrum vörös tartományába. Minél nagyobb a vöröseltolódás, annál nagyobb sebességgel távolodik el a tárgy a megfigyelőből.

Így lehetővé válik az Univerzum tágulási sebességének meghatározása, amely ebben az esetben minden megaparszekonként 74 kilométer per másodperc. Ez nem egyezik a ΛCDM-ből kapott értékekkel. Nem valószínű azonban, hogy mérési hiba magyarázza az eltérést.

David Gross, a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetem Kavli Elméleti Fizikai Intézetének munkatársa szerint a részecskefizikában egy ilyen eltérést nem problémának, hanem válságnak neveznénk. Számos tudós azonban nem értett egyet ezzel az értékeléssel. A helyzetet bonyolította egy másik módszer is, amely szintén a korai Univerzum tanulmányozásán alapul, nevezetesen a barionos akusztikus rezgések - a korai Univerzumot kitöltő látható anyag sűrűségében bekövetkező rezgések. Ezeket a rezgéseket a plazma akusztikus hullámok okozzák, és mindig ismert méretűek, így szabványos gyertyáknak tűnnek. Más mérésekkel kombinálva a ΛCDM-nek megfelelő Hubble-állandót adják.

Új modell

Lehetséges, hogy a tudósok hibát követtek el az Ia típusú szupernóvák használatakor. Egy távoli objektum távolságának meghatározásához távolságlétrát kell építeni.

A létra első foka a cefeidák – változócsillagok, amelyeknek pontos periódus-fényesség viszonya van. A cefeidák segítségével meghatározható a legközelebbi Ia típusú szupernóvák távolsága. Az egyik tanulmányban a cefeidák helyett vörös óriásokat használtak, amelyek egy bizonyos életszakaszban elérik a maximális fényességet - ez minden vörös óriásnál ugyanaz.

Ennek eredményeként a Hubble-állandó 69,8 kilométer per másodperc per megaparszek. Nincs válság – állítja Wendy Freedman, a Chicagói Egyetem munkatársa, a cikk egyik szerzője.

De ez a kijelentés is megkérdőjeleződött. A H0LiCOW együttműködés gravitációs lencsék segítségével mérte a Hubble-állandót, amely hatás akkor lép fel, amikor egy hatalmas test elhajlítja a mögötte lévő távoli objektum sugarait. Ez utóbbiak kvazárok lehetnek – aktív galaxisok magjai, amelyeket egy szupermasszív fekete lyuk táplál. A gravitációs lencséknek köszönhetően egy kvazárról egyszerre több kép is megjelenhet. A képek villogásának mérésével a tudósok egy frissített Hubble-állandót 73,3 kilométer per másodperc/megaparszek. Ugyanakkor a tudósok a végsőkig nem tudták a lehetséges eredményt, ami kizárja a csalás lehetőségét.

A gáz fekete lyuk körüli forgása során keletkezett természetes maserekből a Hubble-állandó mérésének eredménye 74 kilométer/s/megaparszek. Más módszerek 76,5 és 73,6 kilométer per másodpercet adtak megaparszekonként. Problémák merülnek fel az Univerzumban az anyag eloszlásának mérésével is, mivel a gravitációs lencsék más értéket adnak, mint a mikrohullámú háttér mérései.

Ha kiderül, hogy az eltérés nem mérési hibákból adódik, akkor az összes jelenleg rendelkezésre álló adat magyarázatához új elméletre lesz szükség. Az egyik lehetséges megoldás a sötét energia mennyiségének megváltoztatása, ami az univerzum felgyorsult tágulását okozza. Bár a legtöbb tudós amellett van, hogy a fizika frissítése nélkül tegyünk, a probléma továbbra is megoldatlan.