물리학자들은 우주를 점점 더 빠르게 팽창시키는 신비한 “암흑” 에너지가 시간이 지남에 따라 약간 약해질 수 있다는 미묘한 힌트를 추론해 왔습니다. 물리학의 기초를 뒤흔들 잠재력을 지닌 발견이다.

만약 사실이라면 이는 25년 만에 암흑에너지의 본질에 대해 우리가 얻은 최초의 실제 단서가 될 것입니다.”라고 말했습니다. 아담 리 에스1998년 암흑에너지를 공동 발견한 공로로 노벨상을 받은 존스홉킨스대학교 천체물리학자.

새로운 관측은 DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument) 팀에서 나온 것이며, 오늘 지도에서 파생된 측정값의 대박과 함께 전례 없는 범위의 우주 지도를 공개했습니다. 많은 연구자들에게 하이라이트는 세 가지 서로 다른 관찰 조합이 모두 암흑 에너지의 영향이 영겁의 세월에 걸쳐 침식되었을 수 있음을 암시한다는 것을 보여주는 플롯입니다.

“암흑에너지가 진화하고 있다는 징후가 보이는 것이 가능합니다.” 딜런 브라우트 보스턴 대학교의 DESI 팀 멤버입니다.

협력 내부와 외부의 연구자들은 모두 증거가 발견을 주장할 만큼 강력하지 않다고 강조합니다. 관찰 결과는 추가 데이터가 있으면 쉽게 사라질 수 있는 중간 정도의 통계적 유의성을 지닌 암흑 에너지의 침식을 선호합니다. 그러나 연구자들은 또한 세 가지 서로 다른 관측 세트가 모두 동일한 흥미로운 방향을 가리키며, 이는 우주 진공의 고유 에너지인 암흑 에너지(알베르트 아인슈타인이 "우주 상수"라고 명명한 양)라는 표준적인 그림과 상충된다는 점에 주목합니다. 변하지 않는 성격 때문이다.

“흥미롭다”고 말했다 세시 나다투르, DESI 분석에 참여한 포츠머스 대학교의 우주학자입니다. "암흑에너지가 우주 상수가 아니라면, 그것은 엄청난 발견이 될 것입니다."

우주상수의 상승

1998년에 Riess의 그룹은 Saul Perlmutter가 이끄는 다른 천문학자 팀과 함께 초신성이라고 불리는 수십 개의 먼 죽어가는 별의 빛을 사용하여 우주의 구조를 밝혔습니다. 그들은 우주의 팽창이 나이가 들수록 더 빠르게 증가한다는 것을 발견했습니다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 어떤 물질이나 에너지라도 우주 팽창을 촉진할 수 있습니다. 그러나 공간이 확장됨에 따라 모든 친숙한 종류의 물질과 에너지는 더 넓은 우주로 퍼져나가면서 밀도가 낮아집니다. 밀도가 감소함에 따라 우주의 팽창은 속도가 빨라지는 것이 아니라 느려져야 합니다.

그러나 공간이 팽창해도 희석되지 않는 실체 중 하나는 바로 공간 그 자체이다. 진공에 자체 에너지가 있으면 더 많은 진공(따라서 더 많은 에너지)이 생성됨에 따라 Riess와 Perlmutter 팀이 관찰한 것처럼 팽창 속도가 빨라집니다. 우주의 가속 팽창에 대한 그들의 발견은 우주의 진공과 관련된 아주 작은 양의 에너지, 즉 암흑 에너지의 존재를 밝혀냈습니다.

편리하게도 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 개발하면서 그러한 가능성을 고려했습니다. 물질이 희석되어 우주가 붕괴되는 것을 막기 위해 그는 모든 공간에 Λ 기호로 표시되고 우주 상수라고 불리는 고정된 양의 추가 에너지가 주입될 수 있다고 상상했습니다. 아인슈타인의 직관은 잘못된 것으로 드러났습니다. 왜냐하면 우주는 그가 상상한 대로 균형을 이루고 있지 않기 때문입니다. 그러나 1998년 공간이 모든 것을 밖으로 밀어내는 것처럼 보인다는 사실이 발견된 후, 그의 우주상수는 다시 돌아와 현재 우주론의 표준 모델, 즉 "람다 CDM 모델"이라는 서로 얽힌 구성 요소 집합의 중심에 자리 잡았습니다.

"간단 해. 하나의 숫자입니다. 여기에는 첨부할 수 있는 몇 가지 이야기가 있습니다. 그렇기 때문에 그것은 일정하다고 믿어진다”고 말했다. 리시아 베르데, 이론 우주론자이자 DESI 협력 회원입니다.

이제 새로운 세대의 망원경을 휘두르는 새로운 세대의 우주론자들이 더 풍부한 이야기의 첫 번째 속삭임을 듣고 있을지도 모릅니다.

천국 매핑

그 망원경 중 하나는 애리조나의 Kitt Peak에 있습니다. DESI 팀은 천체 목표를 향해 자동으로 회전하는 5,000개의 로봇 섬유를 망원경의 200,000미터 거울에 장착했습니다. 자동화를 통해 손으로 패턴이 있는 금속판에 연결해야 했던 유사한 섬유에 의존했던 이전의 주요 은하 조사인 Sloan Digital Sky Survey(SDSS)와 비교하여 매우 빠른 데이터 수집이 가능해졌습니다. 최근 기록적인 어느 밤에 DESI는 거의 XNUMX개에 달하는 은하의 위치를 ​​기록할 수 있었습니다.

2021년 2022월부터 6년 2월까지 로봇 섬유는 우주 역사의 다양한 시대에서 지구에 도착하는 광자를 흡입했습니다. DESI 연구원들은 그 데이터를 지금까지 만들어진 것 중 가장 상세한 우주 지도로 변환했습니다. 이는 대략 12억년에서 13.8억년 전(우주의 XNUMX억년 역사 중)에 존재했던 약 XNUMX만 개의 은하의 정확한 위치를 특징으로 합니다. "DESI는 엄청난 데이터를 생성하는 정말 훌륭한 실험입니다."라고 Riess는 말했습니다.

DESI의 정밀 매핑의 비결은 은하의 스펙트럼, 즉 빛의 각 색상의 강도를 기록하는 풍부한 데이터 플롯을 수집하는 능력입니다. 스펙트럼은 은하가 우리로부터 얼마나 빨리 멀어지고 있는지, 따라서 우리가 그것을 보고 있는 우주 역사의 어느 시대에 있는지를 보여줍니다(은하가 더 빨리 멀어질수록 더 오래되었습니다). 이를 통해 은하계를 서로 상대적으로 배치할 수 있지만, 우주 역사를 완전히 재구성하는 데 필수적인 정보인 지구를 기준으로 정확한 거리로 지도를 보정하려면 다른 것이 필요합니다.

DESI 협력의 경우, 그 무언가는 초기 우주에서 남겨진 얼어붙은 밀도 잔물결의 패치워크였습니다. 빅뱅 이후 처음 수십만 년 동안 우주는 대부분 물질과 빛으로 이루어진 뜨겁고 걸쭉한 수프였습니다. 중력은 물질을 안쪽으로 끌어당겼고 빛은 물질을 바깥쪽으로 밀어냈습니다. 그리고 그 투쟁은 수프의 초기 밀도가 짙은 부분에서 바깥쪽으로 퍼지는 밀도 파문을 일으켰습니다. 우주가 냉각되고 원자가 형성된 후에는 투명해졌습니다. 빛이 바깥쪽으로 흘러나가면서 중입자 음향 진동(BAO)이라고 불리는 잔물결이 제자리에 고정됩니다.

최종 결과는 대략 10억 광년에 달하는 약간 더 밀도가 높은 껍질을 가진 일련의 겹쳐진 구체였습니다. 이는 BAO가 얼기 전에 이동할 시간이 있었던 거리입니다. 그 조밀한 껍질은 계속해서 다른 위치보다 약간 더 많은 은하를 형성했으며 DESI 연구자들이 수백만 개의 은하 지도를 작성하면 이러한 구체의 흔적을 탐지할 수 있습니다. 가까운 구는 먼 구보다 더 크게 보이지만 DESI 연구자들은 구가 모두 같은 크기라는 것을 알고 있기 때문에 은하가 실제로 지구에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알 수 있고 이에 따라 지도의 크기를 조정할 수 있습니다.

무의식적으로 결과에 영향을 미치는 것을 피하기 위해 연구원들은 물리적 패턴을 모호하게 하기 위해 무작위로 섞인 측정값을 사용하여 "블라인드" 분석을 수행했습니다. 그런 다음 협업은 지난 12월 하와이에서 만나 결과를 풀고 Kitt Peak 로봇 섬유가 어떤 종류의 지도를 관찰했는지 확인했습니다.

영국 집에서 Zoom을 통해 생중계로 시청하던 Nadathur는 지도가 공개되자 조금 이상한 것 같아서 전율을 느꼈습니다. Nadathur는 “BAO 데이터에 대한 충분한 경험이 있다면 표준 모델과 약간 다른 것이 필요하다는 것을 알 수 있을 것입니다.”라고 말했습니다. "나는 Lambda CDM이 전체 그림이 아니라는 것을 알고 있었습니다."

다음 주 동안 연구원들은 새로운 데이터 세트를 샅샅이 뒤지고 이를 분석하고 다른 대규모 우주론 데이터 세트와 혼합하면서 이상한 점의 원인을 발견하고 수많은 Slack 메시지를 교환했습니다.

“내 동료 중 한 명이 암흑 에너지 제약을 보여주는 플롯을 게시했지만 아무런 글도 쓰지 않았습니다. 줄거리와 폭발하는 머리 이모티콘만 있으면 됩니다.”라고 Nadathur는 말했습니다.

일별 데이터

DESI는 우주론 역사의 7개 시대에 나타난 다양한 유형의 은하를 관찰함으로써 시간이 지남에 따라 우주가 어떻게 팽창했는지를 파악하는 것을 목표로 합니다. 그런 다음 이 7개의 스냅샷이 Lambda CDM이 예측한 진화와 얼마나 잘 일치하는지 확인합니다. 그들은 또한 암흑 에너지가 스냅샷마다 달라지는 것을 허용하는 이론과 같은 다른 이론이 얼마나 효과적인지 고려합니다.

DESI 데이터의 첫 해에만 Lambda CDM은 스냅샷과 가변 암흑물질 모델에 거의 적합합니다. 협업이 DESI 지도와 다른 스냅샷(우주 마이크로파 배경으로 알려진 빛 및 최근 세 개의 초신성 지도 시리즈)을 결합한 경우에만 두 이론이 서로 분리되기 시작합니다.

그들은 그 결과가 포함된 초신성 목록 세 개 중 어느 것에 따라 2.5, 3.5 또는 3.9 "시그마"만큼 Lambda CDM의 예측과 다르다는 것을 발견했습니다. 동전을 100번 뒤집는다고 상상해 보세요. 공정한 동전에 대한 예측은 앞면 50개, 뒷면 50개입니다. 앞면이 60개 나오면 평균에서 1시그마만큼 떨어져 있는 것입니다. (동전이 조작되는 것과는 반대로) 우연히 일어날 확률은 20분의 75입니다. 앞면이 1번 나온다면(무작위로 일어날 확률은 2만 분의 XNUMX) 이는 XNUMX시그마 결과입니다. 물리학의 발견을 주장하는 데 있어 최고의 표준입니다. DESI가 얻은 시그마 값은 그 사이 어딘가에 있습니다. 이는 드문 통계적 변동일 수도 있고 암흑에너지가 변화하고 있다는 실제 증거일 수도 있습니다.

연구자들은 이러한 숫자가 매력적이라고 ​​생각하지만 더 높은 값을 너무 많이 읽는 것에 대해서도 경고합니다. 우주는 동전보다 훨씬 더 복잡하며, 통계적 유의성은 데이터 분석의 미묘한 가정에 따라 달라집니다.

열광하는 더 강력한 이유는 다소 독립적인 초신성 집단에 걸쳐 있는 세 개의 초신성 목록이 모두 암흑 에너지가 같은 방식으로 변화하고 있음을 암시한다는 사실입니다. 즉, 암흑 에너지의 힘은 약해지고 있거나 우주론자들이 말하는 것처럼 "해빙"되고 있습니다. Brout는 "이러한 보완적인 데이터 세트를 모두 교환하면 모두 약간 음수에 수렴하는 경향이 있습니다."라고 말했습니다. 불일치가 무작위인 경우 데이터 세트가 다른 방향을 가리킬 가능성이 더 높습니다.

조슈아 프리먼데이터 분석에 참여하지 않은 DESI 협력 회원이자 시카고 대학의 우주학자인 그는 Lambda CDM이 무너지는 것을 보게 되어 기쁘다고 말했습니다. 이론가로서 그는 1990년대에 암흑 에너지를 녹이는 이론을 제안했으며, 최근에는 2013년부터 2019년까지 표준 모델의 편차를 검색하고 세 개의 초신성 카탈로그 DESI 중 하나를 만든 프로젝트인 Dark Energy Survey를 공동 창립했습니다. 사용된. 그러나 그는 또한 과거에 우주론적 변칙성이 사라지면서 불탔던 것을 기억한다. "이것에 대한 나의 반응은 흥미로워요." 그러나 "오류가 줄어들 때까지 나는 [노벨] 수상 연설을 쓰지 않을 것입니다"라고 Frieman은 농담했습니다.

Brout는 Lambda CDM 모델과의 불일치에 대해 “통계적으로 말하면 사라질 수 있습니다.”라고 말했습니다. "우리는 이제 그것이 가능한지 알아내기 위해 모든 노력을 기울이고 있습니다."

DESI 연구원들은 이번 주 초 40년차 관측을 마친 후 다음 지도에는 오늘 공개된 지도보다 거의 두 배나 많은 은하계가 포함될 것으로 예상하고 있습니다. 이제 그들은 BAO 분석에 대한 더 많은 경험을 쌓았으므로 업데이트된 XNUMX개년 지도를 신속하게 만들 계획입니다. 다음은 XNUMX천만 개의 은하계에 대한 XNUMX년 지도입니다.

DESI 외에도 칠레의 8.4미터 Vera Rubin 천문대, NASA의 Nancy Grace Roman 우주 망원경, 유럽 우주국의 Euclid 임무를 포함하여 앞으로 몇 년 안에 수많은 새로운 장비가 온라인에 출시될 예정입니다.

Frieman은 “우주론에 대한 우리의 데이터는 지난 25년 동안 엄청난 도약을 이루었고 이제 곧 더 큰 도약을 이룰 것입니다.”라고 말했습니다.

새로운 관찰이 축적되면서 연구자들은 암흑 에너지가 한 세대 동안 변함없이 나타나는 것을 계속해서 발견할 수 있습니다. 또는 DESI의 결과가 제시하는 방향으로 추세가 계속된다면 모든 것이 바뀔 수도 있습니다.

새로운 물리학

암흑에너지가 약해진다면 그것은 우주상수가 될 수 없다. 대신, 그것은 많은 우주론자들이 우주 탄생 동안 기하급수적인 팽창의 순간을 촉발시켰다고 생각하는 것과 같은 종류의 분야일 수 있습니다. 이러한 종류의 "스칼라 필드"는 우주 상수처럼 처음에는 일정해 보이지만 시간이 지나면서 결국 미끄러지기 시작하는 에너지의 양으로 공간을 채울 수 있습니다.

“암흑에너지가 다양하다는 생각은 매우 자연스러운 것입니다.” 폴 스타인하르트, 프린스턴 대학의 우주학자. 그렇지 않다면 “우리가 아는 에너지는 공간과 시간에서 절대적으로 일정한 유일한 형태일 것입니다.”라고 그는 계속 말했습니다.

그러나 그러한 가변성은 심오한 패러다임 변화를 가져올 것입니다. 우리는 진공 상태에서 살지 않을 것입니다. 우주의 가장 낮은 에너지 상태. 대신, 우리는 진정한 진공을 향해 천천히 미끄러지는 활력 있는 상태에 살게 될 것입니다. Steinhardt는 "우리는 진공 상태에 살고 있다고 생각하는 데 익숙합니다. 하지만 아무도 그렇게 약속하지 않았습니다."라고 말했습니다.

우주의 운명은 이전에 우주 상수로 알려진 숫자가 얼마나 빨리 감소하고, 얼마나 멀리 갈 수 있는지에 달려 있습니다. 0에 도달하면 우주 가속이 중지됩니다. 0 아래로 충분히 떨어지면 공간 확장은 느린 수축으로 바뀔 것입니다. 우주론의 순환 이론, Steinhardt가 개발한 것과 같은 것입니다.

끈 이론가들도 비슷한 전망을 공유합니다. 모든 것이 끈의 진동으로 귀결된다는 제안을 통해 그들은 다양한 차원과 온갖 종류의 이국적인 입자와 힘을 가진 우주를 엮을 수 있습니다. 그러나 그들은 쉽게 구축할 수 없다 우리 우주처럼 안정적인 긍정적 에너지를 영구적으로 유지하는 우주입니다. 대신 끈 이론에서는 에너지가 수십억 년에 걸쳐 완만하게 떨어지거나 격렬하게 0 또는 음수 값으로 떨어져야 합니다. “본질적으로 모든 끈 이론가들은 그것이 둘 중 하나라고 믿습니다. 우리는 어느 쪽인지 모른다”고 말했다. 컴런 바파 하버드 대학.

암흑 에너지의 점진적인 감소에 대한 관측 증거는 완만한 낙하 시나리오에 도움이 될 것입니다. “그건 정말 놀라운 일이겠죠. 이는 암흑 에너지 자체의 발견 이후 가장 중요한 발견이 될 것입니다.”라고 Vafa는 말했습니다.

그러나 현재로서는 그러한 추측은 가장 느슨한 방식으로만 DESI 분석에 뿌리를 두고 있습니다. 우주론자들은 혁명에 대한 생각을 진지하게 받아들이기 전에 수백만 개의 은하계를 더 관찰해야 할 것입니다.

"이것이 지속된다면 우주에 대한 새롭고 잠재적으로 더 깊은 이해의 길을 밝힐 수 있습니다"라고 Riess는 말했습니다. "앞으로 몇 년은 매우 밝혀질 것입니다."