Fizikçiler, evreni gittikçe daha hızlı genişlemeye iten gizemli "karanlık" enerjinin zamanla biraz zayıflayabileceğine dair ince ipuçları elde ettiler. Bu, fiziğin temellerini sarsma potansiyeline sahip bir bulgu.

"Eğer doğruysa bu, son 25 yılda karanlık enerjinin doğası hakkında elde ettiğimiz ilk gerçek ipucu olacaktır" dedi. Adam RiessJohns Hopkins Üniversitesi'nden astrofizikçi, 1998'de karanlık enerjiyi birlikte keşfetmesi nedeniyle Nobel Ödülü'nü kazandı.

Yeni gözlemler, bugün evrenin benzeri görülmemiş bir kapsamını ve haritadan elde edilen çok sayıda ölçümü ortaya çıkaran Karanlık Enerji Spektroskopik Enstrümanı (DESI) ekibinden geliyor. Pek çok araştırmacı için öne çıkan nokta, üç farklı gözlem kombinasyonunun, karanlık enerjinin etkisinin çağlar boyunca aşınmış olabileceğini ima ettiğini gösteren bir plandır.

"Karanlık enerjinin evrimleştiğine dair ipuçları görmemiz mümkün" dedi Dillon Brout DESI ekibinin bir üyesi olan Boston Üniversitesi'nden.

İşbirliği içindeki ve dışındaki araştırmacıların tümü, kanıtların bir keşif iddiasında bulunacak kadar güçlü olmadığını vurguluyor. Gözlemler, ek verilerle kolayca ortadan kaybolabilecek orta düzeyde istatistiksel anlamlılığa sahip karanlık enerjinin erozyonunu desteklemektedir. Ancak araştırmacılar aynı zamanda üç farklı gözlem dizisinin hepsinin aynı ilgi çekici yöne işaret ettiğini de belirtiyor; bunlardan biri, Albert Einstein'ın "kozmolojik sabit" olarak adlandırdığı miktar olan uzay boşluğunun içsel enerjisi olarak karanlık enerjinin standart resmiyle çelişiyor. değişmez doğası nedeniyle.

"Heyecan verici" dedi Sesh NadathurDESI analizi üzerinde çalışan Portsmouth Üniversitesi'nden bir kozmolog. "Karanlık enerji kozmolojik bir sabit değilse, bu çok büyük bir keşif olacak."

Kozmolojik Sabitin Yükselişi

1998'de Riess'in grubu, Saul Perlmutter liderliğindeki başka bir gökbilimci ekibiyle birlikte, evrenin yapısını aydınlatmak için süpernova adı verilen düzinelerce uzak, ölmekte olan yıldızın ışığını kullandı. Evrenin genişlemesinin yaşlandıkça daha hızlı büyüdüğünü keşfettiler.

Einstein'ın genel görelilik teorisine göre herhangi bir madde veya enerji kozmik genişlemeyi tetikleyebilir. Ancak uzay genişledikçe, daha geniş bir evrene yayıldıkça, tüm tanıdık madde ve enerji türleri daha az yoğun hale gelir. Yoğunlukları düştükçe evrenin genişlemesi hızlanmamalı, yavaşlamalı.

Ancak uzayın genişlemesiyle seyrelmeyen bir madde de uzayın kendisidir. Eğer boşluğun kendine ait bir enerjisi varsa, o zaman daha fazla boşluk (ve dolayısıyla daha fazla enerji) yaratıldıkça, tıpkı Riess ve Perlmutter'in ekiplerinin gözlemlediği gibi genişleme hızlanacaktır. Evrenin hızlanarak genişlediğini keşfetmeleri, uzayın boşluğuyla ilişkili çok küçük miktarda bir enerjinin, yani karanlık enerjinin varlığını ortaya çıkardı.

Uygun bir şekilde, Einstein genel göreliliği geliştirirken böyle bir olasılığı düşünmüştü. Maddenin seyrelmesinin evreni çökertmesini önlemek için, tüm uzayın Λ sembolüyle temsil edilen, lambda adı verilen ve kozmolojik sabit olarak adlandırılan sabit miktarda ekstra enerjiyle doldurulabileceğini hayal etti. Evren onun hayal ettiği şekilde dengeli olmadığı için Einstein'ın sezgilerinin kapalı olduğu ortaya çıktı. Ancak 1998'de uzayın her şeyi dışarı doğru itiyor gibi göründüğünün keşfedilmesinden sonra kozmolojik sabiti geri döndü ve "Lambda CDM modeli" adı verilen bir dizi iç içe geçmiş bileşenden oluşan mevcut standart kozmoloji modelinin kalbinde yerini aldı.

"Basit. Bu bir numara. Ona ekleyebileceğiniz bir hikaye var. Bu yüzden sabit olduğuna inanılıyor” dedi. Licia Verde, teorik bir kozmolog ve DESI işbirliğinin üyesi.

Artık yeni nesil teleskopları kullanan yeni nesil kozmologlar, daha zengin bir hikayenin ilk fısıltılarını alıyor olabilir.

Gökleri Haritalamak

Bu teleskoplardan biri Arizona'daki Kitt Peak'te bulunuyor. DESI ekibi, teleskobun dört metrelik aynasını otomatik olarak gök hedeflerine doğru dönen 5,000 robotik fiberle donattı. Otomasyon, desenli metal plakalara elle takılması gereken benzer fiberlere dayanan önceki amiral gemisi galaksi araştırması Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ile karşılaştırıldığında ışık hızında veri toplanmasına olanak sağlıyor. Yakın zamanda rekor kıran bir gecede DESI, yaklaşık 200,000 galaksinin konumunu kaydetmeyi başardı.

Mayıs 2021'den Haziran 2022'ye kadar robotik fiberler, kozmik tarihin farklı dönemlerinden Dünya'ya gelen fotonları yuttu. DESI araştırmacıları o zamandan beri bu verileri şimdiye kadar yapılmış en ayrıntılı kozmik haritaya dönüştürdü. Kabaca 6 ila 2 milyar yıl önce (evrenin 12 milyar yıllık tarihinde) var olan yaklaşık 13.8 milyon galaksinin kesin konumlarını içerir. Riess, "DESI, muazzam veriler üreten gerçekten harika bir deney" dedi.

DESI'nin hassas haritalamasının sırrı, galaksilerin spektrumlarını (her ışık tonunun yoğunluğunu kaydeden veri açısından zengin grafikler) toplama yeteneğidir. Spektrum, bir galaksinin bizden ne kadar hızlı uzaklaştığını ve dolayısıyla onu kozmik tarihin hangi döneminde gördüğümüzü ortaya çıkarır (galaksi ne kadar hızlı uzaklaşıyorsa o kadar yaşlıdır). Bu, galaksileri birbirine göre konumlandırmanıza olanak tanır, ancak haritayı Dünya'ya göre doğru mesafelerle kalibre etmek için (kozmik tarihin tam olarak yeniden inşası için gerekli bilgiler) başka bir şeye ihtiyacınız vardır.

DESI işbirliği için bu şey, erken evrenden geride kalan donmuş yoğunluk dalgalarının bir karışımıydı. Büyük Patlama'dan sonraki ilk birkaç yüz bin yıl boyunca evren, çoğunlukla madde ve ışıktan oluşan sıcak, yoğun bir çorbaydı. Yerçekimi maddeyi içeri doğru çekerken ışık onu dışarı doğru itti ve bu mücadele, çorbanın başlangıçtaki yoğun noktalarından dışarıya doğru yayılan yoğunluk dalgalarını tetikledi. Evren soğuyup atomlar oluştuktan sonra şeffaf hale geldi. Işık dışarıya doğru aktı ve baryonik akustik salınımlar (BAO'lar) adı verilen dalgaları olduğu yerde dondurdu.

Nihai sonuç, kabaca bir milyar ışık yılı çapında, yani BAO'ların donmadan önce kat ettiği mesafeyi ölçen, biraz daha yoğun kabuklara sahip bir dizi üst üste binen küreydi. Bu yoğun kabuklar diğer konumlara göre biraz daha fazla gökada oluşturmaya devam etti ve DESI araştırmacıları milyonlarca gökadanın haritasını çıkardığında bu kürelerin izlerini tespit edebiliyorlar. Yakın küreler uzaktaki kürelerden daha büyük görünür, ancak DESI araştırmacıları kürelerin hepsinin aynı boyutta olduğunu bildiklerinden, galaksilerin Dünya'dan gerçekte ne kadar uzakta olduğunu söyleyebilir ve haritayı buna göre yeniden boyutlandırabilirler.

Sonuçlarını bilinçsizce etkilemekten kaçınmak için araştırmacılar, herhangi bir fiziksel modeli gizlemek için rastgele karıştırılan ölçümlerle çalışarak "kör" bir analiz gerçekleştirdiler. Daha sonra işbirliği, sonuçları çözmek ve Kitt Peak robotik fiberlerinin ne tür bir harita gözlemlediğini görmek için geçen Aralık ayında Hawaii'de toplandı.

Birleşik Krallık'taki evinden Zoom üzerinden canlı izleyen Nadathur, harita ortaya çıktığında çok heyecanlandı çünkü harita biraz tuhaf görünüyordu. Nadathur, "BAO verileriyle ilgili yeterince deneyiminiz varsa, standart modelden biraz farklı bir şeye ihtiyaç duyulacağını görebilirdiniz" dedi. "Lambda CDM'nin resmin tamamı olmadığını biliyordum."

Sonraki hafta, araştırmacılar yeni veri setini tarayıp, analiz edip diğer büyük kozmolojik veri setleriyle harmanlarken, tuhaflığın kaynağını keşfettiler ve bir dizi Slack mesajı alışverişinde bulundular.

"Meslektaşlarımdan biri bu karanlık enerji kısıtlamasını gösteren bir çizim yayınladı ve hiçbir şey yazmadı. Sadece olay örgüsü ve patlayan bir kafa emojisi," dedi Nadathur.

Günlere Ait Veriler

DESI, kozmolojik tarihin yedi döneminde ortaya çıkan farklı gökada türlerini gözlemleyerek evrenin zaman içinde nasıl genişlediğini belirlemeyi amaçlıyor. Daha sonra bu yedi anlık görüntünün Lambda CDM tarafından tahmin edilen evrimle ne kadar iyi örtüştüğünü görüyorlar. Ayrıca karanlık enerjinin anlık görüntüler arasında değişmesine izin veren teoriler gibi diğer teorilerin ne kadar başarılı olduğunu da değerlendiriyorlar.

Yalnızca DESI verilerinin ilk yılıyla Lambda CDM, anlık görüntülere neredeyse değişken bir karanlık madde modeli kadar uyuyor. Ancak işbirliği DESI haritasını diğer anlık görüntülerle (kozmik mikrodalga arka planı olarak bilinen ışık ve yeni üç süpernova haritasından oluşan bir dizi) birleştirdiğinde iki teori birbirinden ayrılmaya başlıyor.

Sonuçların, dahil ettikleri üç süpernova kataloğundan hangisine bağlı olarak Lambda CDM tahmininden 2.5, 3.5 veya 3.9 "sigma" kadar farklı olduğunu buldular. Bir yazı tura 100 kez attığınızı hayal edin. Adil bir madalyonun tahmini 50 tura ve 50 yazıdır. Eğer 60 tura alırsanız, bu ortalamadan iki sigma uzakta demektir; bunun şans eseri olma ihtimali (paranın hileli olması yerine) 1'de 20'dir. Eğer 75 tura gelirse - ki bu rastgele olma şansı 1 milyonda 2'dir - bu beş sigma sonucudur, Fizikte bir keşif iddiasında bulunmak için altın standart. DESI'nin elde ettiği sigma değerleri bu ikisinin arasında bir yerdedir; nadir görülen istatistiksel dalgalanmalar veya karanlık enerjinin değiştiğine dair gerçek kanıtlar olabilirler.

Araştırmacılar bu rakamları ümit verici bulsa da, aynı zamanda daha yüksek değerlere çok fazla önem verilmemesi konusunda da uyarıda bulunuyorlar. Evren bir madeni paradan çok daha karmaşıktır ve istatistiksel anlamlılıklar, veri analizindeki incelikli varsayımlara bağlıdır.

Heyecanın daha güçlü bir nedeni, bir bakıma bağımsız süpernova popülasyonlarını kapsayan üç süpernova kataloğunun da karanlık enerjinin aynı şekilde değiştiğini ima etmesidir: Gücü azalıyor veya kozmologların dediği gibi "çözülüyor". Brout, "Tüm bu tamamlayıcı veri setlerini değiştirdiğimizde, hepsi bu hafif negatif sayıya yaklaşma eğiliminde" dedi. Tutarsızlık rastgele olsaydı, veri setlerinin farklı yönlere işaret etme olasılığı daha yüksek olurdu.

Joshua FriemanChicago Üniversitesi'nden bir kozmolog ve veri analizi üzerinde çalışmayan DESI işbirliğinin bir üyesi olan Lambda CDM'nin düşüşünü görmekten memnuniyet duyacağını söyledi. Bir teorisyen olarak, 1990'larda karanlık enerjinin çözülmesine ilişkin teoriler önerdi ve yakın zamanda, 2013'ten 2019'a kadar Standart Model'den sapmaları araştıran ve üç süpernova kataloğundan birini oluşturan bir proje olan Karanlık Enerji Araştırması'nın kurucu ortağı oldu. DESI kullanılmış. Ama aynı zamanda geçmişte kozmolojik anormalliklerin ortadan kaybolmasıyla yandığını da hatırlıyor. Frieman, "Buna tepkim merak uyandırmak olacaktır" ama "hatalar küçülene kadar [Nobel] kabul konuşmamı yazmayacağım" diye şaka yaptı.

Brout, Lambda CDM modeliyle olan tutarsızlık hakkında "İstatistiksel açıdan bakıldığında ortadan kaybolabilir" dedi. “Şimdi bunun olup olmayacağını öğrenmek için dışarı çıkıyoruz.”

DESI araştırmacıları, bu hafta başında üçüncü yıllık gözlemlerini tamamladıktan sonra, bir sonraki haritalarının bugün açıklanan haritanın neredeyse iki katı kadar galaksi içermesini bekliyorlar. Artık BAO analizi konusunda daha fazla deneyime sahip olduklarından, güncellenmiş üç yıllık haritayı hızla çıkarmayı planlıyorlar. Daha sonra 40 milyon galaksinin beş yıllık haritası geliyor.

DESI'nin ötesinde, önümüzdeki yıllarda Şili'deki 8.4 metrelik Vera Rubin Gözlemevi, NASA'nın Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu ve Avrupa Uzay Ajansı'nın Öklid misyonu da dahil olmak üzere bir dizi yeni araç devreye girecek.

Frieman, "Kozmolojideki verilerimiz son 25 yılda çok büyük sıçramalar yaptı ve daha büyük sıçramalar yapmak üzere" dedi.

Yeni gözlemler topladıkça, araştırmacılar karanlık enerjinin bir nesil boyunca olduğu gibi sabit göründüğünü bulmaya devam edebilirler. Veya trend DESI sonuçlarının önerdiği yönde devam ederse her şey değişebilir.

Yeni Fizik

Karanlık enerji zayıflıyorsa bu kozmolojik bir sabit olamaz. Bunun yerine, birçok kozmologun, evrenin doğuşu sırasında bir üstel genişleme anını tetiklediğini düşündüğü türden bir alan olabilir. Bu tür bir "skaler alan", uzayı ilk başta sabit görünen (kozmolojik sabit gibi) ancak zamanla kaymaya başlayan bir enerji miktarıyla doldurabilir.

"Karanlık enerjinin değiştiği fikri çok doğal" dedi Paul SteinhardtPrinceton Üniversitesi'nden kozmolog. Aksi takdirde, "uzay ve zamanda kesinlikle sabit olan, bildiğimiz tek enerji biçimi bu olurdu" diye devam etti.

Ancak bu değişkenlik derin bir paradigma değişikliğine yol açacaktır: Bir boşlukta yaşamıyor olmayacağız. evrenin en düşük enerji durumu. Bunun yerine yavaş yavaş gerçek boşluğa doğru kayan enerji dolu bir durumda yaşardık. Steinhardt, "Boşlukta yaşadığımızı düşünmeye alışkınız" dedi, "ama kimse size bunu vaat etmedi."

Kozmosun kaderi, daha önce kozmolojik sabit olarak bilinen sayının ne kadar hızlı azaldığına ve ne kadar ileri gidebileceğine bağlı olacaktır. Sıfıra ulaşırsa kozmik ivme duracaktır. Eğer sıfırın altına yeterince düşerse, uzayın genişlemesi yavaş bir daralmaya dönüşecektir. döngüsel kozmoloji teorileriSteinhardt tarafından geliştirilenler gibi.

Sicim teorisyenleri de benzer bir bakış açısını paylaşıyor. Her şeyin sicimlerin titreşiminden ibaret olduğu önerisiyle, farklı boyutlardaki evrenleri ve her türlü egzotik parçacık ve kuvveti bir araya getirebilirler. Ama onlar kolayca inşa edemiyorum Evrenimizin göründüğü gibi, istikrarlı bir pozitif enerjiyi kalıcı olarak koruyan bir evren. Bunun yerine, sicim teorisinde enerjinin ya milyarlarca yıl boyunca yavaşça düşmesi ya da şiddetli bir şekilde sıfıra ya da negatif bir değere düşmesi gerekir. “Aslında tüm sicim teorisyenleri bunun ya biri ya da diğeri olduğuna inanıyor. Hangisi olduğunu bilmiyoruz" dedi Cumrun Vafa Harvard Üniversitesi

Karanlık enerjinin kademeli olarak azaldığına dair gözlemsel kanıtlar, hafif düşüş senaryosu için bir nimet olacaktır. "Bu harika olurdu. Vafa, "Bu, karanlık enerjinin keşfinden bu yana yapılan en önemli keşif olacak" dedi.

Ancak şimdilik bu tür spekülasyonların kökleri yalnızca en gevşek şekilde DESI analizine dayanıyor. Kozmologların, devrim düşüncelerini ciddi biçimde eğlendirmeden önce milyonlarca galaksiyi daha gözlemlemeleri gerekecek.

Riess, "Eğer bu geçerli olursa, evrene dair yeni ve potansiyel olarak daha derin bir anlayışa giden yolu aydınlatabilir" dedi. "Önümüzdeki birkaç yıl çok açıklayıcı olacak."