Fysikere har utledet subtile hint om at den mystiske "mørke" energien som driver universet til å utvide seg raskere og raskere, kan svekkes litt med tiden. Det er et funn som har potensial til å rokke ved fysikkens grunnlag.

"Hvis det er sant, vil det være den første virkelige ledetråden vi har fått om naturen til mørk energi på 25 år," sa Adam Riess, en astrofysiker ved Johns Hopkins University som vant Nobelprisen for medoppdagelse av mørk energi i 1998.

De nye observasjonene kommer fra Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-teamet, som i dag avduket et kart over kosmos med enestående omfang, sammen med en bonanza av målinger hentet fra kartet. For mange forskere er høydepunktet et plott som viser at tre forskjellige kombinasjoner av observasjoner alle insinuerer at påvirkningen av mørk energi kan ha erodert over eonene.

"Det er mulig vi ser hint av mørk energi som utvikler seg," sa Dillon Brout fra Boston University, medlem av DESI-teamet.

Forskere i og utenfor samarbeidet understreker alle at bevisene ikke er sterke nok til å hevde en oppdagelse. Observasjonene favoriserer erosjon av mørk energi med en slags middels statistisk signifikans som lett kan forsvinne med tilleggsdata. Men forskere bemerker også at tre forskjellige sett med observasjoner alle peker i samme spennende retning, en som er i strid med standardbildet av mørk energi som den iboende energien til rommets vakuum - mengden som Albert Einstein kalte den "kosmologiske konstanten" på grunn av dens uforanderlige natur.

"Det er spennende," sa Sesh Nadathur, en kosmolog ved University of Portsmouth som jobbet med DESI-analysen. "Hvis mørk energi ikke er en kosmologisk konstant, vil det være en stor oppdagelse."

Fremveksten av den kosmologiske konstanten

I 1998 brukte Riesss gruppe, sammen med et annet team av astronomer ledet av Saul Perlmutter, lyset fra dusinvis av fjerne, døende stjerner kalt supernovaer for å lyse opp strukturen i kosmos. De oppdaget at universets utvidelse vokser raskere etter hvert som det eldes.

I følge Einsteins generelle relativitetsteori kan enhver materie eller energi drive kosmisk ekspansjon. Men etter hvert som rommet utvider seg, blir alle de kjente typene materie og energi mindre tette når de sprer seg ut i et romsligere univers. Når tettheten deres faller, bør utvidelsen av universet bremse ned, ikke øke hastigheten.

Et stoff som imidlertid ikke blir fortynnet med utvidelsen av rommet, er selve rommet. Hvis vakuumet har en egen energi, vil ekspansjonen øke etter hvert som det skapes mer vakuum (og dermed mer energi), akkurat som teamene til Riess og Perlmutter observerte. Deres oppdagelse av den akselererende utvidelsen av universet avslørte tilstedeværelsen av en liten mengde energi assosiert med rommets vakuum - mørk energi.

Beleilig nok hadde Einstein vurdert en slik mulighet mens han utviklet generell relativitetsteori. For å stoppe fortynningen av materie fra å kollapse universet, forestilte han seg at hele rommet kunne bli tilført en fast mengde ekstra energi, representert ved symbolet Λ, kalt lambda, og referert til som den kosmologiske konstanten. Einsteins intuisjon viste seg å være av, siden universet ikke er balansert på den måten han forestilte seg. Men etter oppdagelsen i 1998 om at verdensrommet ser ut til å presse alt utover, kom hans kosmologiske konstant tilbake og tok sin plass i hjertet av den nåværende standardmodellen for kosmologi, et sett med sammenvevde ingredienser kalt "Lambda CDM-modellen."

"Det er enkelt. Det er ett tall. Den har en historie du kan knytte til den. Det er derfor det antas å være konstant," sa Licia Verde, en teoretisk kosmolog og medlem av DESI-samarbeidet.

Nå kan en ny generasjon kosmologer som bruker en ny generasjon teleskoper plukke opp de første hviskene fra en rikere historie.

Kartlegging av himmelen

Et av disse teleskopene sitter på Kitt Peak i Arizona. DESI-teamet har utstyrt teleskopets fire meter store speil med 5,000 robotfibre som automatisk svinger mot deres himmelske mål. Automatiseringen muliggjør lynrask datainnsamling sammenlignet med forrige flaggskip-galakseundersøkelse, Sloan Digital Sky Survey (SDSS), som var avhengig av lignende fibre som måtte plugges inn i mønstrede metallplater for hånd. På en nylig rekordnatt var DESI i stand til å registrere plasseringen av nesten 200,000 XNUMX galakser.

Fra mai 2021 til juni 2022 slurpet robotfibrene opp fotoner som ankom jorden fra forskjellige tidsepoker av kosmisk historie. DESI-forskerne har siden forvandlet disse dataene til det mest detaljerte kosmiske kartet som noen gang er laget. Den viser de nøyaktige plasseringene til rundt 6 millioner galakser slik de eksisterte for mellom omtrent 2 og 12 milliarder år siden (ut av universets 13.8 milliarder år lange historie). "DESI er et virkelig flott eksperiment som produserer fantastiske data," sa Riess.

Hemmeligheten bak DESIs presisjonskartlegging er dens evne til å samle spektra av galakser - datarike plott som registrerer intensiteten til hver lysfarge. Et spekter avslører hvor raskt en galakse beveger seg bort fra oss og derfor hvilken epoke av kosmisk historie vi ser den i (jo raskere en galakse trekker seg tilbake, jo eldre er den). Det lar deg plassere galaksene i forhold til hverandre, men for å kalibrere kartet med de riktige avstandene i forhold til Jorden - viktig informasjon for en fullstendig rekonstruksjon av kosmisk historie - trenger du noe annet.

For DESI-samarbeidet var det noe et lappeteppe av frosne tetthetsbølger etterlatt fra det tidlige universet. I de første par hundre tusen årene etter Big Bang var kosmos en varm, tykk suppe av hovedsakelig materie og lys. Tyngdekraften trakk saken innover mens lys presset den utover, og kampen satte i gang tetthetsbølger som spredte seg utover fra en snert av innledende tette flekker i suppen. Etter at universet ble avkjølt og atomer ble dannet, ble det gjennomsiktig. Lyset strømmet utover, og etterlot krusningene - kalt baryoniske akustiske svingninger (BAOs) - frosset på plass.

Sluttresultatet var en serie overlappende kuler med litt tettere skall som målte omtrent en milliard lysår på tvers - avstanden BAO-er hadde tid til å reise før de frøs. Disse tette skjellene fortsatte å danne litt flere galakser enn andre steder gjorde, og når DESI-forskere kartlegger millioner av galakser, kan de oppdage spor av disse kulene. Nærmere sfærer ser ut til å være større enn fjerne, men siden DESI-forskere vet at sfærene alle har samme størrelse, kan de fortelle hvor langt borte fra Jorden galaksene egentlig er og endre størrelsen på kartet deretter.

For å unngå ubevisst å påvirke resultatene deres, utførte forskerne en "blind" analyse, og jobbet med målinger som hadde blitt tilfeldig stokket rundt for å skjule fysiske mønstre. Deretter møttes samarbeidet på Hawaii i desember i fjor for å dekryptere resultatene og se hva slags kart Kitt Peak-robotfibrene hadde observert.

Nadathur, som så live over Zoom fra hjemmet sitt i Storbritannia, følte en begeistring da kartet ble avslørt, fordi det virket litt rart. "Hvis du hadde nok erfaring med BAO-data, kunne du se at noe kom til å være nødvendig som var litt annerledes enn standardmodellen," sa Nadathur. "Jeg visste at Lambda CDM ikke var hele bildet."

I løpet av den påfølgende uken, da forskerne kjemmet gjennom det nye datasettet, analyserte det og blandet det med andre store kosmologiske datasett, oppdaget de kilden til det merkelige og utvekslet en mengde Slack-meldinger.

"En av kollegene mine la ut et plott som viste denne mørke energibegrensningen og skrev ingen ord. Bare plottet og en eksploderende hode-emoji," sa Nadathur.

Data for dager

DESI har som mål å finne ut hvordan universet har utvidet seg over tid ved å observere forskjellige typer galakser slik de dukket opp i løpet av syv epoker av kosmologisk historie. De ser da hvor godt disse syv øyeblikksbildene stemmer overens med utviklingen forutsagt av Lambda CDM. De vurderer også hvor godt andre teorier gjør det - for eksempel teorier som lar mørk energi variere mellom øyeblikksbilder.

Med det første året med DESI-data alene, passer Lambda CDM til øyeblikksbildene nesten like godt som en variabel mørk materie-modell. Det er først når samarbeidet kombinerer DESI-kartet med andre øyeblikksbilder – lys kjent som den kosmiske mikrobølgebakgrunnen og en serie med tre nyere supernovakart – at de to teoriene begynner å glide fra hverandre.

De fant at resultatene varierte fra prediksjonen til Lambda CDM med 2.5, 3.5 eller 3.9 "sigmas", avhengig av hvilken av de tre supernovakatalogene de inkluderte. Tenk deg å vende en mynt 100 ganger. Forutsigelsen for en rettferdig mynt er 50 hoder og 50 haler. Hvis du får 60 hoder, er det to sigma unna gjennomsnittet; oddsen for at det skjer ved en tilfeldighet (i motsetning til at mynten er rigget) er 1 av 20. Hvis du får 75 hoder – som har en sjanse på 1-i-2 millioner for å skje tilfeldig – er det et resultat på fem sigma. gullstandard for å hevde en oppdagelse i fysikk. sigma verdiene DESI oppnådd faller et sted i mellom; de kan være sjeldne statistiske svingninger eller reelle bevis på at mørk energi er i endring.

Mens forskerne finner disse tallene fristende, advarer de også mot å lese for mye i de høyere verdiene. Universet er mye mer komplisert enn en mynt, og de statistiske signifikansene avhenger av subtile antakelser i dataanalysen.

En sterkere grunn til entusiasme er det faktum at alle de tre supernovakatalogene - som spenner over noe uavhengige populasjoner av supernovaer - antyder at mørk energi varierer på samme måte: Dens kraft avtar, eller som kosmologer sier, "tiner." "Når vi bytter ut alle disse komplementære datasettene, har de alle en tendens til å konvergere på dette litt negative tallet," sa Brout. Hvis avviket var tilfeldig, ville datasettene mer sannsynlig peke i forskjellige retninger.

Joshua Frieman, en kosmolog ved University of Chicago og medlem av DESI-samarbeidet som ikke jobbet med dataanalysen, sa at han ville være glad for å se Lambda CDM falle. Som teoretiker foreslo han teorier om tining av mørk energi på 1990-tallet, og han var nylig med å grunnlegge Dark Energy Survey - et prosjekt som søkte etter avvik fra standardmodellen fra 2013 til 2019 og opprettet en av de tre supernovakatalogene DESI brukt. Men han husker også at han ble brent av forsvinnende kosmologiske anomalier tidligere. "Min reaksjon på dette er å bli fascinert," men "inntil feilene blir mindre, kommer jeg ikke til å skrive min [Nobel] aksepttale," spøkte Frieman.

"Statistisk sett kan det forsvinne," sa Brout om avviket med Lambda CDM-modellen. "Nå går vi alt for å finne ut om det vil gjøre det."

Etter å ha avsluttet sitt tredje år med observasjoner tidligere denne uken, forventer DESI-forskerne at deres neste kart vil inneholde nesten dobbelt så mange galakser som kartet som ble avduket i dag. Og nå som de har mer erfaring med BAO-analysen, planlegger de å få ut det oppdaterte treårskartet raskt. Deretter kommer et femårig kart over 40 millioner galakser.

Utover DESI kommer en rekke nye instrumenter på nett de neste årene, inkludert 8.4 meter Vera Rubin-observatoriet i Chile, NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope og European Space Agencys Euclid-oppdrag.

"Våre data innen kosmologi har gjort enorme sprang de siste 25 årene, og de er i ferd med å ta større sprang," sa Frieman.

Etter hvert som de samler nye observasjoner, kan forskere fortsette å finne at mørk energi fremstår like konstant som den har gjort i en generasjon. Eller, hvis trenden fortsetter i retningen foreslått av DESIs resultater, kan det endre alt.

Ny fysikk

Hvis mørk energi svekkes, kan det ikke være en kosmologisk konstant. I stedet kan det være samme type felt som mange kosmologer tror utløste et øyeblikk med eksponentiell utvidelse under universets fødsel. Denne typen "skalarfelt" kan fylle rommet med en mengde energi som ser konstant ut til å begynne med - som den kosmologiske konstanten - men som til slutt begynner å gli over tid.

"Ideen om at mørk energi er varierende er veldig naturlig," sa Paul Steinhardt, en kosmolog ved Princeton University. Ellers, fortsatte han, "ville det være den eneste formen for energi vi kjenner som er absolutt konstant i rom og tid."

Men den variasjonen ville føre til et dyptgående paradigmeskifte: Vi ville ikke leve i et vakuum, som er definert som universets laveste energitilstand. I stedet ville vi bebo en energisert tilstand som sakte glir mot et ekte vakuum. "Vi er vant til å tro at vi lever i vakuumet," sa Steinhardt, "men ingen har lovet deg det."

Kosmos skjebne vil avhenge av hvor raskt tallet tidligere kjent som den kosmologiske konstanten synker, og hvor langt det kan gå. Hvis den når null, vil kosmisk akselerasjon stoppe. Hvis det synker langt nok under null, vil utvidelsen av plass gå over til en langsom sammentrekning - den typen reversering som kreves for sykliske teorier om kosmologi, slik som de utviklet av Steinhardt.

Strengteoretikere deler et lignende syn. Med deres forslag om at alt koker ned til vibrasjon av strenger, kan de veve sammen universer med forskjellige antall dimensjoner og alle slags eksotiske partikler og krefter. Men de kan ikke enkelt konstruere et univers som permanent opprettholder en stabil positiv energi, slik universet vårt har sett ut til. I stedet, i strengteori, må energien enten falle forsiktig i løpet av milliarder av år eller voldsomt falle til null eller en negativ verdi. "I hovedsak tror alle strengteoretikere at det er det ene eller det andre. Vi vet ikke hvilken," sa Cumrun Vafa av Harvard University.

Observasjonsbevis for en gradvis nedgang av mørk energi ville være en velsignelse for scenariet med mildt fall. "Det ville vært fantastisk. Det ville være den viktigste oppdagelsen siden selve oppdagelsen av mørk energi, sa Vafa.

Men foreløpig er slike spekulasjoner forankret i DESI-analysen på bare de løseste måtene. Kosmologer må observere mange millioner flere galakser før de seriøst kan underholde tanker om revolusjon.

"Hvis dette holder stand, kan det lyse veien til en ny, potensielt dypere forståelse av universet," sa Riess. "De neste årene bør være veldig avslørende."