Diverse

Cât de „greu” este Universul? Răspunsurile contradictorii indică o nouă știință

Sursa: Google

Două moduri complet diferite de a „cântări” cosmosul produc rezultate disparate. Dacă măsurători mai precise nu reușesc să rezolve discrepanța, este posibil ca fizicienii să fie nevoiți să revizuiască modelul standard de cosmologie, cea mai bună descriere a universului nostru.

„Dacă acesta este cu adevărat o privire asupra defectării modelului standard, ar fi potențial revoluționar”, spune astronomul Hendrik Hildebrandt de la Universitatea Ruhr Bochum din Germania.

Preocupări similare cu privire la corectitudinea modelului standard au fost ridicate în ultimii câțiva ani prin două calcule independente ale așa-numitei constante Hubble, sau de rata la care universul se extinde astăzi. De asemenea, aceste două măsurători nu au fost de acord, creând ceea ce s-a numit tensiunea Hubble.

Noua discrepanță – numită tensiunea sigma-opt – implică măsurarea densității materiei din univers și a gradului în care este aglomerată, spre deosebire de distribuirea uniformă. Rezultatul este încapsulat într-un parametru numit sigma-opt. Pentru a calcula sigma-opt, Hildebrandt și colegii săi au apelat la un efect numit lentilă gravitațională slabă, în care lumina din galaxiile îndepărtate este îndoită atât de ușor spre telescoapele noastre datorită atragerii gravitaționale din materia care se află între galaxii și Pământ.

Distorsiunea rezultată este atât de mică încât abia schimbă forma unei galaxii individuale. Dar dacă luați o medie a formelor a zeci de mii de galaxii într-un petic de cer, apare un semnal de lentilizare slabă. Presupunând că galaxiile ar trebui să fie orientate aleatoriu față de Pământ, forma lor medie ar trebui să fie aproape circulară – fără lentile slabe, adică. Dar, datorită distorsiunilor ușoare de la acest efect, forma medie se întoarce în schimb spre eliptică.

Astronomii au folosit acest semnal pentru a estima cantitatea și distribuția materiei care intervine (atât soiurile normale, cât și cele întunecate) de-a lungul liniilor de vedere către diferite regiuni bogate în galaxii, de-a lungul unei întinderi mari a cerului. Cu alte cuvinte, au reușit să măsoare densitatea cosmică a materiei.

Însă, pentru a face acest lucru, este nevoie de încă o informație: distanța până la fiecare galaxie studiată. În mod normal, astronomii calculează distanța față de o altă galaxie găsind schimbarea spectroscopică a acesteia spre roșu – cantitatea cu care lumina galaxiei este deplasată spre lungimile de undă mai lungi ale părții roșii a spectrului. Cu cât este mai mare deplasarea spre roșu, cu atât obiectul este mai departe.

Cu toate acestea, măsurarea deplasărilor spectroscopice individuale la roșu este extrem de ineficientă atunci când avem de-a face cu milioane de galaxii. Astfel, echipa lui Hildebrandt s-a orientat spre ceva numit redshift fotometric, care presupune realizarea mai multor imagini ale aceluiași petic de cer în diferite lungimi de undă, care se întind pe intervalele optice și aproape în infraroșu. Cercetătorii au folosit aceste imagini pentru a estima deplasarea spre roșu a galaxiilor individuale din fiecare.

„Nu sunt la fel de bune ca tradiționalele schimbări de roșu spectroscopice. Dar sunt mult mai eficiente în ceea ce privește timpul telescopului.” Spune Hildebrandt.

Pentru întreaga sa analiză, echipa a folosit imagini de înaltă rezoluție cu sute de grade pătrate ale cerului (luna plină are aproximativ o jumătate de grad) în nouă benzi de lungime de undă – patru optice și cinci aproape în infraroșu. Aceste observații ale aproximativ 15 milioane de galaxii au fost colectate de Studiul Kilo-Degree (KiDS) al Observatorului European Sudic și de VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey (VIKING) folosind două telescoape mici la Observatorul Paranal al organizației din Chile.

Cât de „greu” este Universul Răspunsurile contradictorii indică o nouă știință

Sursa: Google

Datele VIKING au consolidat setul de date KiDS prin furnizarea de observații multiple ale aceleiași regiuni a cerului în lungimi de undă aproape de infraroșu. Cu cât distanțele unei galaxii sunt mai mari, cu atât este mai mare viteza cu care se retrage de la noi. Acest lucru face ca mai multă lumină a unei galaxii să fie schimbată în roșu în domeniul infraroșu apropiat, astfel încât să nu te bazezi doar pe observații optice. Măsurătorile cu infraroșu captează o cantitate mai mare de lumină din astfel de galaxii, ducând la estimări mai bune ale deplasării lor roșii fotometrice.

Pentru a se asigura că deplasările la roșu fotometrice sunt cât mai exacte posibil, aceste observații au fost calibrate împotriva măsurătorilor spectroscopice de redshift ale câtorva dintre aceleași galaxii făcute cu telescopul foarte mare de opt metri foarte mare de la Paranal și telescoapele Keck de 10 metri de pe Mauna Kea în Hawaii. Astrofizicianul și laureatul premiului Nobel, Adam Riess, de la Universitatea Johns Hopkins, aprobă eforturile cercetătorilor KiDS.

„Cele mai recente rezultate ale acestora utilizează date în infraroșu, ceea ce probabil face o treabă mai bună de a urmări masa lentilelor și de a obține schimbări roșii fotometrice fiabile”, spune el.

Utilizând datele combinate, acoperind aproximativ 350 de grade pătrate ale cerului, astronomii au estimat sigma-8, valoarea pe care au găsit-o în conflict cu o cifră de sigma-8 calculată folosind observațiile satelitului Planck ale Agenției Spațiale Europene asupra fondului cosmic cu microunde (CMB) – cea mai timpurie lumină observabilă din univers, care a fost emisă la aproximativ 380.000 de ani după big bang. Planck a cartografiat variațiile de temperatură și polarizare a CMB de la un punct la altul pe cer. Cosmologii pot folosi harta pentru a calcula valoarea sigma-opt pentru universul timpuriu. Folosind modelul standard al cosmologiei (care spune că cosmosul este alcătuit din aproximativ 5% materie obișnuită, 27% materie întunecată și 68% energie întunecată), ei pot apoi extrapola pe mai mult de 13 miliarde de ani de evoluție cosmică pentru a estima prezentul- valoarea zilei pentru sigma-opt.

Aici stă tensiunea. Studiul Hildebrandt cu lentile slabe estimează sigma-8 la aproximativ 0,74, în timp ce datele Planck oferă o valoare de aproximativ 0,81. „Există aproximativ 1 la sută șanse ca această [tensiune] să fie o fluctuație statistică”, spune Hildebrandt.

Fluctuațiile statistice sunt zgomot aleatoriu în date care pot imita semnale reale și pot dispărea cu mai multe date. „Nu este ceva pentru care să pierzi complet somnul”. Oricum nu încă. De asemenea, este posibil să apară o eroare sistematică în calculele uneia sau ale ambelor echipe. După ce cercetătorii identifică astfel de erori, discrepanța ar putea dispărea. Sau este posibil să nu facă acest lucru, ceea ce a fost cazul tensiunii Hubble. Pe măsură ce măsurătorile astronomice au devenit mai precise, semnificația statistică a tensiunii Hubble a crescut, provocând nopți nedormite mai multor câțiva teoreticieni anxioși.

„Ceva foarte similar s-ar putea întâmpla cu discrepanța noastră sigma-opt”, spune Hildebrandt. – Nu știm.

Riess, care conduce una dintre echipele care estimează constanta Hubble folosind măsurători ale supernovei din universul din apropiere, compară tensiunea sigma-opt cu un „frate mic sau sora tensiunii Hubble”. Această discrepanță este acum considerată semnificativă statistic, cu mai puține șanse de un milion din 3,5 milioane de a fi o întâmplare. Tensiunea sigma-opt, cu o șansă de 100 din 100 de a fi o aberație statistică, este locul în care se afla tensiunea Hubble în urmă cu câțiva ani.

„Deci este mai puțin semnificativ, dar merită să fii cu ochii pe o posibilă conexiune”, spune Riess.

Dacă tensiunea sigma-opt se ridică la același nivel de relevanță statistică ca și tensiunea Hubble, presiunea pentru reevaluarea modelului standard de cosmologie ar putea deveni prea mare pentru a fi ignorată. În acel moment, cosmologii pot fi obligați să invoce fizică nouă pentru a aduce estimările Planck în concordanță cu măsurătorile directe ale parametrilor universului actual. „Aceasta va fi alternativa incitantă”, spune Hildebrandt.

Potențiale „noi fizici” corecții la modelul standard ar putea implica schimbarea cantității și naturii energiei întunecate sau a materiei întunecate – sau a ambelor -, precum și modificări ale modului în care interacționează între ele și cu materia normală, printre alte modificări mai exotice.

„Unele soluții teoretice pentru a se potrivi cu modelul cosmologic pentru a fixa tensiunea constantă Hubble înrăutățesc această [tensiune sigma-opt]. Unele o fac mai bună”, spune Riess.

Hildebrandt este de acord că nu există o soluție evidentă la vedere. „Dacă ar exista un model convingător, poate că oamenii ar sări pe acea bandă. Dar, în acest moment, nu cred că există. Este cu adevărat pe noi, observatorii, să îmbunătățim semnificația [tensiunii sigma-opt] sau să o infirmăm”