2000'li yılların başında kozmologların en büyük ve en karmaşık bilmeceyi çözdüğü görülüyordu: Evrenin nasıl çalıştığı.

"Kozmolojideki tüm parçaların birdenbire bir araya geldiği inanılmaz bir an oldu" dedi. J. Colin TepesiColumbia Üniversitesi'nde teorik kozmolog.

Hill, evreni incelemenin tüm yollarının (galaksileri ve onların daha büyük yapılarını haritalamak, süpernova adı verilen yıkıcı yıldız patlamalarını yakalamak, değişen yıldızlara olan mesafeleri hesaplamak, erken evrenden kalan kozmik parıltıyı ölçmek) "örtüşüyormuş gibi görünen" hikayeler anlattığını söyledi.

Hikayeleri bir arada tutan yapıştırıcı, birkaç yıl önce, 1998'de keşfedilmişti: Karanlık enerji, kozmosu birbirine yapıştırmak yerine, bir şekilde zamanla yavaşlamak yerine daha hızlı genişlemesine neden olan gizemli bir güç. Bilim insanları bu kozmik şeyi kendi evren modellerine dahil ettiğinde teoriler ve gözlemler iç içe geçti. Karanlık enerjinin evrenin yaklaşık %70'ini oluşturduğu ve başka bir gizemli karanlık varlığın (sadece normal maddeyle etkileşime giriyor gibi görünen bir görünmez kütle türü) yer aldığı Lambda-CDM adı verilen ve artık kozmolojinin standart modeli olarak bilinen modelin taslağını hazırladılar. yerçekimi yoluyla - yaklaşık% 25'i oluşturur. Geriye kalan %5 ise görebildiğimiz her şeydir: gökbilimcilerin bin yıldır üzerinde çalıştığı yıldızlar, gezegenler ve galaksiler.

Ancak bu huzur anı, mücadele zamanları arasında yalnızca kısa bir molaydı. Gökbilimciler kozmik zaman aralığı boyunca evrene ilişkin daha kesin gözlemler yaptıkça, standart modelde çatlaklar ortaya çıkmaya başladı. Sorunun ilk işaretlerinden bazıları ölçümlerden geldi. değişen yıldızlar ve süpernovalar Yakınlardaki bir avuç galakside yapılan gözlemler, kalan kozmik parıltıyla karşılaştırıldığında, evrenimizin düşündüğümüzden farklı kurallara göre hareket ettiğini ve evrenin ne kadar hızlı uçup gittiğini tanımlayan çok önemli bir kozmolojik parametrenin siz hareket ettiğinizde değiştiğini öne sürdü. farklı ölçütlerle ölçün.

Kozmologların bir sorunu vardı; gerilim adını verdikleri bir şey ya da daha dramatik anlarında, kriz.

Bu uyumsuz ölçümler, ilk çatlakların ortaya çıkmasından bu yana yaklaşık on yıl içinde daha da belirgin hale geldi. Ve bu tutarsızlık kozmolojinin standart modeline yönelik tek zorluk değil. Galaksi gözlemleri şunu gösteriyor: kozmik yapılar bir araya toplanmış zaman içinde bugünkü evrenin erken kozmosa gömülü tohumlardan nasıl büyümesi gerektiğine dair en iyi anlayışımızdan farklı olabilir. Ve daha da incelikli uyumsuzluklar, evrenin en erken ışığına ilişkin ayrıntılı çalışmalardan kaynaklanmaktadır.

Diğer tutarsızlıklar çoktur. "Başka yerlerde çok daha küçük sorunlar var" dedi Eleonora Di ValentinoSheffield Üniversitesi'nden teorik kozmolog. "İşte bu yüzden kafa karıştırıcı. Çünkü mesele sadece bu büyük problemler değil.”

Bu gerilimleri hafifletmek için kozmologlar birbirini tamamlayan iki yaklaşım benimsiyor. İlk olarak, daha iyi verilerin nasıl ilerleneceğine dair ipuçları ortaya çıkaracağı umuduyla evrene dair daha kesin gözlemler yapmaya devam ediyorlar. Ek olarak, beklenmedik sonuçlara uyum sağlamak için standart modelde ince ayarlamalar yapmanın yollarını buluyorlar. Ancak bu çözümler çoğunlukla uydurmadır ve eğer bir sorunu çözerlerse çoğu zaman diğerlerini daha da kötüleştirirler.

Hill, "Şu anda durum büyük bir karmaşa gibi görünüyor" dedi. "Ne yapacağımı bilmiyorum."

Çarpık Işık

Evrenimizi karakterize etmek için bilim insanları, kozmologların parametre adını verdiği bir avuç sayıyı kullanıyor. Bu değerlerin ifade ettiği fiziksel varlıklar, dev bir kozmik makinenin dişlileridir ve her bir parçası diğerine bağlıdır.

Bu parametrelerden biri kütlenin ne kadar güçlü bir şekilde bir araya toplandığıyla ilgilidir. Bu da bize karanlık enerjinin nasıl çalıştığı hakkında bir şeyler anlatıyor; çünkü dışarı doğru hızlanan itme kozmik kütlenin çekim kuvvetiyle çelişiyor. Topaklanmayı ölçmek için bilim insanları adı verilen bir değişkeni kullanıyor: S₈. Değer sıfırsa, evrenin hiçbir varyasyonu ve yapısı yoktur, diye açıkladı Sunao SugiyamaPensilvanya Üniversitesi'nden gözlemsel kozmolog. Manzarayı bölecek bir karınca yuvasının bile olmadığı, düz, özelliksiz bir çayır gibi. Ama eğer S₈ 1'e yaklaştıkça evren, hiçlik vadileriyle ayrılmış devasa yoğun madde yığınlarından oluşan devasa, sivri uçlu bir dağ silsilesi gibidir. Yapının ilk tohumlarının yerleştiği evrenin çok erken dönemlerine ilişkin Planck uzay aracı tarafından yapılan gözlemler şu değeri buldu: 0.83.

Ancak yakın kozmik tarihe ilişkin gözlemler pek de aynı fikirde değil.

Günümüz evrenindeki kümelenmeyi bebeklik evreninin ölçümleriyle karşılaştırmak için araştırmacılar, maddenin gökyüzünün geniş alanlarına nasıl dağıldığını araştırıyor.

Görünür galaksileri hesaba katmak bir şeydir. Ancak bu galaksilerin üzerinde yer aldığı görünmez ağın haritasını çıkarmak başka bir şeydir. Bunu yapmak için kozmologlar galaksilerin ışığındaki küçük çarpıklıklara bakıyorlar çünkü ışığın kozmosta geçerken izlediği yol, ışık görünmez maddenin kütleçekimsel ağırlığı tarafından saptırıldığından çarpıktır.

Araştırmacılar, bu çarpıklıkları (zayıf yerçekimsel merceklenme olarak bilinir) inceleyerek, ışığın izlediği yollar boyunca karanlık maddenin dağılımını izleyebilirler. Ayrıca galaksilerin nerede olduğunu da tahmin edebilirler. Gökbilimciler, ellerindeki her iki bilgi parçasıyla evrenin görünür ve görünmez kütlesinin 3 boyutlu haritalarını oluşturuyor; bu da kozmik yapının manzarasının zaman içinde nasıl değiştiğini ve büyüdüğünü ölçmelerine olanak tanıyor.

Geçtiğimiz birkaç yılda, zayıf mercekli üç araştırma gökyüzünün geniş bölgelerini haritalandırdı: Şili'nin Atacama çölünde bir teleskop kullanan Karanlık Enerji Araştırması (DES); yine Şili'de bulunan Kilo-Derece Araştırması (KIDS); ve son olarak Subaru Teleskobu'nun Hawai'i'deki Hyper Suprime-Cam (HSC) tarafından gerçekleştirilen beş yıllık bir araştırma.

Birkaç yıl önce DES ve KIDS anketleri S₈ Planck'ınkinden daha düşük değerler; ilkel kozmik çorbanın oluşturduğundan daha küçük dağ sıraları ve daha düşük zirveler anlamına geliyor. Ancak bunlar, kozmik yapıların nasıl büyüyüp kümeleştiğine dair anlayışımızdaki kusurların sadece umut verici ipuçlarıydı. Kozmologların daha fazla veriye ihtiyacı vardı ve Subaru HSC'nin yayınlanan sonuçlarını sabırsızlıkla bekliyorlardı. beş makalelik bir seride Aralık ayında.

Subaru HSC ekibi, gökyüzünde yaklaşık 416 derece kare, yani 2,000 dolunaya eşdeğer alanı kaplayan on milyonlarca galaksiyi araştırdı. Ekip, gökyüzündeki bir bölgede bir hesapladı: S₈ 0.78 değeri — daha önceki araştırmalardan elde edilen ilk sonuçlarla uyumlu ve Planck teleskopunun evrenin erken dönem radyasyonuna ilişkin gözlemlerinde ölçülen değerden daha küçük. Subaru ekibi, ölçümlerinin yalnızca bir gerilime işaret ettiğini, çünkü bilim adamlarının güvendiği istatistiksel anlamlılık düzeyine tam olarak ulaşmadıklarını söylerken dikkatli davranıyor, ancak verilerine üç yıllık gözlemleri daha eklemeye çalışıyorlar.

"Eğer bu S₈ Subaru HSC analizlerinden birine liderlik eden Sugiyama, "gerginlik gerçekten doğru, henüz anlamadığımız bir şey var" dedi.

Kozmologlar artık belirsizlik kaynaklarını ortaya çıkarmak için gözlemlerin ayrıntılarını inceliyorlar. Yeni başlayanlar için Subaru ekibi, galaksilerin çoğuna olan mesafeleri genel renklerine göre tahmin etti ve bu da yanlışlıklara yol açabilir. Ekip üyesi, "Eğer [ortalama] uzaklık tahminlerini yanlış yaparsanız, önemsediğiniz kozmolojik parametrelerden bazılarını da yanlış anlarsınız" dedi. Rachel Mandelbaum Carnegie Mellon Üniversitesi'nden.

Üstelik bu ölçümlerin yapılması kolay değil, yorumlamadaki ince karmaşıklıklar nedeniyle. Ve bir galaksinin çarpık görünümü ile gerçek şekli arasındaki farkın (görünmez kütleyi tanımlamanın anahtarı) genellikle çok küçük olduğu söyleniyor Diana Scognamiglio NASA'nın Jet Propulsion Laboratuvarı'ndan. Ayrıca, Dünya'nın atmosferindeki bulanıklık galaksinin şeklini biraz değiştirebilir; bu da Scognamiglio'nun NASA'nın James Webb Uzay Teleskobu'nu kullanarak zayıf mercek analizine öncülük etmesinin nedenlerinden biridir.

Bilim adamlarının DES ve KIDS ekipleriyle birlikte çalışması kafa karışıklığını daha da artırıyor yakın zamanda ölçümlerini yeniden analiz etti birlikte ve türetilmiş bir S₈ Planck sonuçlarına daha yakın bir değer.

Yani şimdilik görüntü karışık. Ve bazı kozmologlar henüz çeşitli evrenlerin varlığına ikna olmuş değiller. S₈ ölçümler gerginlikte. Hill, "Orada büyük bir felakete yol açacak bir başarısızlığa dair bariz bir ipucu olduğunu düşünmüyorum" dedi. Ancak şunu da ekledi: "İlginç bir şeylerin olması mantıksız değil."

Çatlakların Belirgin Olduğu Yer

Bir düzine yıl önce, bilim insanları başka bir kozmolojik parametrenin ölçümleriyle ilgili ilk sorun ipuçlarını gördüler. Ancak kozmologların çoğunu tam bir krizle karşı karşıya olduklarına ikna etmeye yetecek kadar veri toplamak yıllar aldı.

Kısacası, Hubble sabiti olarak bilinen, evrenin bugün ne kadar hızlı genişlediğine ilişkin ölçümler, evrenin erken dönemlerinden tahmin ettiğinizde elde ettiğiniz değerle eşleşmiyor. Bu bilmece Hubble gerilimi olarak bilinmeye başlandı.

Hubble sabitini hesaplamak için gökbilimcilerin nesnelerin ne kadar uzakta olduğunu bilmeleri gerekir. Yakın evrende bilim insanları, parlaklıkları periyodik olarak değişen Sefeid değişkenleri adı verilen yıldızları kullanarak mesafeleri ölçüyorlar. Bu yıldızlardan birinin en parlaktan en sönüke doğru ne kadar hızlı geçiş yaptığı ile ne kadar enerji yaydığı arasında iyi bilinen bir ilişki vardır. 20. yüzyılın başlarında keşfedilen bu ilişki, gökbilimcilerin yıldızın içsel parlaklığını hesaplamasına ve bunu ne kadar parlak göründüğüyle karşılaştırarak uzaklığını hesaplamasına olanak tanıyor.

Bilim insanları bu değişken yıldızları kullanarak bizden yaklaşık 100 milyon ışıkyılı uzaklıktaki galaksilerin uzaklığını ölçebiliyorlar. Ancak biraz daha uzağı ve zamanda biraz daha geriyi görmek için daha parlak bir mil işaretçisi kullanıyorlar; bu, tip Ia süpernova adı verilen özel bir yıldız patlaması türü. Gökbilimciler aynı zamanda bu "standart mumların" gerçek parlaklığını da hesaplayabilirler; bu da onların milyarlarca ışıkyılı uzaklıktaki galaksilere olan mesafeleri ölçmelerine olanak tanır.

Geçtiğimiz yirmi yılda, bu gözlemler gökbilimcilerin yakındaki evrenin ne kadar hızlı genişlediğine dair bir değer belirlemelerine yardımcı oldu: megaparsek başına kabaca saniyede 73 kilometre, bu da daha uzağa baktığınızda her megaparsek (veya 3.26 milyon ışıkyılı) için anlamına geliyor. ) mesafe arttıkça uzay saniyede 73 kilometre daha hızlı uçup gidiyor.

Ancak bu değer, bebeklik evrenine yerleştirilmiş başka bir hükümdardan türetilen değerle çatışıyor.

Başlangıçta evren, temel parçacıklardan ve enerjiden oluşan bir çorba olan plazmayı yakıyordu. "Sıcak bir karmaşaydı" dedi Vivian Poulin-DétolleMontpellier Üniversitesi'nden kozmolog.

Kozmik tarihte saniyenin çok küçük bir kısmı, bazı olaylar, belki de şişme olarak bilinen aşırı hızlanma dönemi, bulanık plazmaya sarsıntılar (basınç dalgaları) gönderdi.

Daha sonra, evren soğudukça, elementel plazma sisinde sıkışıp kalan ışık sonunda serbest kaldı. Poulin-Détolle, bu ışığın - kozmik mikrodalga arka planı veya CMB - tıpkı donmuş bir gölün yüzeyinin zaman içinde donmuş dalgaların üst üste binen tepelerine tutunması gibi erken basınç dalgalarını ortaya çıkardığını söyledi.

Kozmologlar bu donmuş basınç dalgalarının en yaygın dalga boyunu ölçtüler ve bunu Hubble sabiti için bir değer hesaplamak için kullandılar. 67.6 km / s / Mpc%1'den daha az bir belirsizlikle.

Tuhaf bir şekilde uyumsuz olan değerler (kabaca 67'ye karşı 73) kozmolojide hala çözülmemiş ateşli bir tartışmayı ateşledi.

Gökbilimciler bağımsız kozmik kilometre işaretleyicilerine yöneliyor. Son altı yıldır, Wendy Freeman Çeyrek yüzyıl boyunca Hubble sabiti üzerinde çalışan Chicago Üniversitesi'nden bilim adamı, genellikle galaksilerin dış kısımlarında yaşayan bir tür yaşlı, kırmızı yıldız üzerinde yoğunlaştı. Orada daha az sayıda üst üste gelen parlak yıldız ve daha az toz, daha net ölçümlere yol açabilir. Freedman ve meslektaşları bu yıldızları kullanarak yaklaşık 70 km/s/Mpc'lik bir genişleme oranı ölçtüler; bu da aslında Sefeidlerle oldukça iyi bir uyum içindedir. "Ama aynı zamanda mikrodalga arka planıyla da oldukça iyi bir uyum içinde."

Şimdi soruna yaklaşmak için JWST'nin güçlü kızılötesi gözüne yöneldi. Meslektaşlarıyla birlikte, yakındaki 11 galaksideki bu dev kırmızı yıldızlara olan mesafeleri ölçerken, aynı zamanda aynı galaksilerdeki Sefeidlere ve bir tür titreşen karbon yıldızına olan mesafeleri de ölçüyor. Sonuçları bu baharda yayınlamayı planlıyorlar, ancak şimdiden "veriler gerçekten muhteşem görünüyor" dedi.

Evrenin modellerini anlamaya çalışan Hill, "Ne bulduklarını görmek beni çok ilgilendiriyor" dedi. Bu yeni gözlemler kozmolojinin favori modelindeki çatlakları genişletecek mi?

Yeni Bir Model mi?

Gözlemler bu önemli kozmolojik parametreleri kısıtlamaya devam ettikçe, bilim insanları verileri evrenin nasıl çalıştığına dair en iyi modellere uydurmaya çalışıyorlar. Belki daha hassas ölçümler sorunları çözebilir veya belki de gerilimler, kullanılan aletlerin tuhaflıkları gibi sıradan bir şeyin ürünüdür.

Ya da belki modeller yanlıştır ve yeni fikirlere - "yeni fizik" - ihtiyaç duyulacaktır.

Hill, "Ya her şeye uyan bir model ortaya çıkaracak kadar akıllı değiliz" dedi ya da "aslında yeni fiziğin birçok parçası işin içinde olabilir."

Bunlar ne olabilir? Hill, belki yeni bir temel kuvvet alanı ya da henüz anlamadığımız karanlık madde parçacıkları arasındaki etkileşimler ya da henüz evren tanımımızın bir parçası olmayan yeni bileşenler olduğunu söyledi.

Bazı yeni fizik modelleri, elektronlar ve protonlar birbirlerine çarpmadan önce, evrenin ilk anlarında kozmik ivmenin artmasına neden olarak karanlık enerjide ayarlamalar yapıyor. "Eğer genişleme oranı bir şekilde artırılabilseydi, evrenin erken dönemlerinde kısa bir süre için birazcık bile olsa" dedi Marc KamionkowskiJohns Hopkins Üniversitesi'nden bir kozmolog, "Hubble gerilimini çözebilirsiniz."

Kamionkowski ve yüksek lisans öğrencilerinden biri bu fikri 2016 yılında ortaya attılar ve iki yıl sonra da bu fikri ortaya attılar. bazı imzaların altını çizdim yüksek çözünürlüklü bir kozmik mikrodalga arka plan teleskopunun görebilmesi gerekir. Ve Şili'deki bir dağın üzerinde bulunan Atacama Kozmoloji Teleskobu bu sinyallerin bazılarını gördü. Ancak o zamandan bu yana diğer bilim insanları modelin şunu gösterdiğini gösterdi: sorun yaratır diğer kozmik ölçümlerle.

Ek bir tür karanlık enerjinin bir an için yükselip sonra söndüğü bu tür ince ayarlı bir modelin, olup biteni açıklamak için fazla karmaşık olduğu belirtildi. Dragan HutererMichigan Üniversitesi'nden teorik kozmolog. Ve Hubble gerilimine önerilen diğer çözümler, gözlemlerle eşleşmeyi daha da zayıf hale getiriyor. Basit teorilerin karmaşık teorilere karşı galip gelme eğiliminde olduğu yönündeki uzun zamandır kabul edilen fikirle uyum içinde olamayacak kadar spesifik hikayeler gibi, "umutsuzca ayarlanmışlar" dedi.

Gelecek yıl gelecek veriler yardımcı olabilir. İlk olarak Freedman'ın ekibinin yakınlardaki genişleme oranına ilişkin farklı araştırmaları incelediği sonuçlar olacak. Daha sonra Nisan ayında araştırmacılar, bugüne kadarki en büyük kozmolojik gökyüzü araştırması olan Karanlık Enerji Spektroskopik Enstrümanı'nın ilk verilerini açıklayacak. Yılın ilerleyen aylarında, Atacama Kozmoloji Teleskobu ekibi ve Güney Kutbu Teleskobu'nu kullanarak başka bir ilkel arka plan haritası hazırlayan araştırmacılar, mikrodalga arka planın ayrıntılı sonuçlarını muhtemelen daha yüksek çözünürlükte yayınlayacaklar. Daha uzak ufuklara ilişkin gözlemler, Avrupa Uzay Ajansı'nın Temmuz ayında fırlatılan bir uzay teleskobu olan Euclid'den ve Şili'de inşa edilmekte olan ve 2025'te tamamen faaliyete geçecek olan tüm gökyüzü haritalama makinesi Vera C. Rubin Gözlemevi'nden gelecek.

Evren 13.8 milyar yaşında olabilir ama onu ve onun içindeki yerimizi anlama arayışımız henüz başlangıç ​​aşamasında. Kozmolojideki her şey sadece 15 yıl önce, bir seraba dönüşen kısa bir sükunet döneminde birbirine uyuyordu. On yıl önce ortaya çıkan çatlaklar tamamen açıldı ve kozmolojinin favori modelinde daha büyük yarıklar oluştu.

Di Valentino, "Artık her şey değişti" dedi.

Editörün notu: Bu makalede adı geçen birden fazla bilim insanı, Simons Vakfı, aynı zamanda bu bağımsız editör dergisine de fon sağlıyor. Simons Vakfı finansman kararlarının kapsamımıza etkisi yoktur. Daha fazla ayrıntı burada bulabilirsiniz.