Zmrazené kosmické zvukové bubliny naznačují, že tmavá energie je šokující proměnlivá

V prosinci v Mexiku v Mexiku v Cancúnu v Cancúnu představil Seshadri Nadathur důvěrný růstový graf vesmíru. Stovky jeho spoluobčanů seděli v publiku, tiše zpracovali, že kosmická kronika, když se dozvěděla, že to může být nutné revidovat. „Je to nejzajímavější věc, která se stala v kosmologii za 25 let,“ říká Nadathur, kosmolog na University of Portsmouth v Anglii.

Téměř tři desetiletí astronomové věřili, že vesmír se rozšiřuje rychleji a rychleji a že zrychlení tohoto růstu je v průběhu času konstantní – poháněno tajemnou silou, kterou nazývají „temnou energií“. Loni v dubnu průzkum spektroskopického nástroje Dark Energy (Desi) Publikované rady že Tmavá energie nemusí být tak konstantní, jak předpokládalipřispívání na hromadu obav, které již ohrožují standardní model kosmologie. Dnes Nadathur a jeho spolupracovníci Desi veřejně představili své výsledky sledování na globálním fyzickém summitu americké fyzické společnosti a na několika předtiskových článcích, což dále ověřilo Omen.

Po téměř ztrojnásobení souřadnic výzkumných pracovníků poskytuje nová analýza desi nejsilnější důkaz, že míra kosmické expanze kolísá – konečně vrhá nějaké světlo na temnou energii, což si vědci myslí, že představuje asi 70 procent všeho ve vesmíru.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

Ačkoli důkazy stále nedosahují benchmarku fyziků pro „objev“, odborníci tvrdí, že nový výsledek ponechává standardní model v Dire Straits. Smyslem vyvíjející se temné energie by téměř jistě zahrnovalo změnu základů fyziky, aby se odemkla skutečná historie a osud našeho vesmíru.

„Je to jako zasáhnout žílu zlata,“ říká Adam Riesskdo sdílel Nobelovu cenu 2011 ve fyzice objev temné energie a nebyl zapojen do nové práce. Za předpokladu, že výsledek zvedne: „Říká se, že tato investice, kterou jsme všichni dělali, se ještě více učí, že se vyplatí.“

Kosmické remorkér

Asi před stoletím si vědci začali uvědomovat, že vesmír se rozšiřuje ven od toho, co nyní nazývají velkým třeskem, explozi energie, která zrodila prostor a čas. Na konci 90. let se vědci rozhodli měřit, jak se růst vesmíru postupně zpomaluje, jak se šíří – pouze si uvědomit, že to vůbec nezpomaluje. Studium světla z prasklých hvězd zvaných supernovy, Riess’s Group a další nezávislý tým v roce 1998 potvrdilo, že od nás jsou další objekty, čím rychleji ustupují. Jinými slovy, prostor zrychluje ven.

V letech od té doby vědci zůstali ve tmě o tom, co způsobuje dlouhodobý růst vesmíru (odtud název „temná energie“). Pro vytvoření jejich standardního modelu kosmologie se teoretici označili na jejich rovnice gravitace „kosmologickou konstantou“ – hodnota Albert Einstein poprvé navrhla v roce 1917, aby vysvětlila, proč se vesmír nehrozí. Ačkoli Fyzici nerozumí původu Jejich nejlepším odhadem bylo, že vakuum samotného prostoru je naplněno konstantní energií, která vytrvale tlačí ven.

Dnes kanonický příběh kosmického vývoje popisuje tento přetahování mezi neochvějným tlakem temné energie a gravitačním tahem hmoty (včetně obrovských rezervoárů neviditelné „studené temné hmoty“, které dohromady lepí galaxie). Tento standardní model vykresluje „bláznivý úspěšný“ obrázek o tom, jak se vesmír vyvinul z jedné sekundy na 14 miliard let, přestože 95 procent obsahu modelu je naprosto neznámé, říká Kevork Abazajian, astrofyzik na University of California, Irvine. „Ale je to také zlomené.“ Řada protichůdných měření o míra rozšíření a Clumpiness Kosmos vrhl kosmologii do hlavolamu.

Výsledkem je, že kosmologové měří rychlost, jakou se nicota rozšiřuje s rostoucí přesností. Zrychlení se ukázalo jako vytrvalé – dokud se začali dívat na zvuk.

Zmrazené vlnky ve vesmíru

Krátce po Velkém třesku byl vesmír ohnivou koulí volných létajících částic a světla, které se proléhaly kolem a vytvářely tlakové vlny, jako jsou ty, které byste dostali od hodu skály do rybníka. Po přibližně 380 000 letech se všechno dostatečně ochladilo, aby se atomy vytvořily, což umožnilo volně proudit světlo, aniž by neustále narazilo do jiných částic (toto světlo je kosmické mikrovlnné pozadí záření, které dnes můžeme vidět). Najednou prvotní rybník ztuhl a zachoval záplatu vln, vše asi 490 milionů světelných let. Tyto vlny, známé jako baryonické akustické oscilace, zasely semena pro přicházející galaxie – dnes nabízely astronomy jako šikovný standardizovaný dotykový kámen.

Desi, posazený na pohoří Quinlan v jižní Arizoně, je navržen tak, aby tyto zvukové vlny zachytil v čase. Jeho 5 000 tančících robotických zbraní sleduje vzory galaxií a zachycuje více než 200 000 za noc. Poté vyplivne jejich světlo do spektra a odhaluje relativní věk různých shluků galaxií. U objektů více než devět miliard světelných let daleko detekuje záležitost tím, jak nasává světlo ze supermassivních černých děr zářících na pozadí. Na každém kousku kosmické historie tým hledá stopy vlnky v distribuci hmoty. Konečně, překrýváním těchto měření pozorováním kosmického mikrovlnného pozadí a různými průzkumy supernovy, mohou vědci rekonstruovat trojrozměrnou mapu expanze vesmíru za posledních 11 miliard let.

Loni v dubnu vydala 900členná spolupráce Desi Analýza svého prvního roku dat, která ukázala určité náznaky, že míra kosmické expanze se se standardním modelem dokonale nezarovnávala. Odborníci však váhali důvěřovat signálu z zcela nového experimentu s omezeným pozorováním. V tomto kole Desi určila téměř 15 milionů galaxií z více než 24 000 expozic – jen málo z nich, z nichž mají podezření, byli náhodně spuštěni rezidentní kočkou dalekohledu, která šla na klávesnici.

Aby se zabránilo podvědomě zaujalo jejich interpretaci, vědci chytře zamíchali skutečná umístění galaxií tak, aby jejich analýza neodhalila skutečnou základní kosmologii, zatímco na ní stále pracovali. Po měsících studia se v Cancúnu setkaly stovky spolupracovníků DESI, aby výsledky „neozvali“.

Dny před velkým odhalením se několik vybraných vědců tiše vyměnilo ve skutečných měřeních a sledovala, jak se pozemky pomalu formou. Uendert Andrade, postdoktorandský výzkumný pracovník na University of Michigan, strávil následující dny shromážděním své nejlepší pokerové tváře a vyhýbal se pokusům o kolegy z něj odpověď. „Je to opravdu kouzelný – jste jedním z mála lidí na světě, kteří to vědí,“ říká.

Když Nadathur proklikal svou prezentaci, zpráva se ukázala: odchylka nebyla náhoda. Trhliny ve standardním modelu se pouze rozšířily. „Něco se musí někde zlomit,“ říká spolupracovník Desi Claire Lamman, postgraduální studentka Centra pro astrofyziku | Harvard & Smithsonian.

Nová pozorování Desi sama o sobě ukazují nepatrnou, ale statisticky nevýznamnou preferenci pro vyvíjející se temnou energii. Ale když jsou kombinovány s údaji jiných experimentů z průzkumů Supernovy a kosmickým mikrovlnným pozadím, důvěra, že temná energie skutečně mává přístupy 99,997 procenta – přesvědčivá náznak, který je jen plachý na baru, který je obvykle nutný k získání objevu fyziky. Je důležité, bez ohledu na to, který z těchto datových sad je vynechán, všechny výsledky ukazují stejným směrem. „Můžete odstranit jednu nohu stolice a stále to stojí,“ říká Riess. „Prochází testem čichání, který mám pro (vezmu) výsledek velmi vážně.“

Přepisování fyziky

Zdá se, že analýza naznačuje, že se temná energie v průběhu času mění – dnes se týká slabšího než Einsteinova predikce a odol silnější v raném vesmíru. Tento postup má důsledky pro konečný osud vesmíru: temná energie, která je příliš silná, by se mohla nakonec roztrhnout všechny atomy a ten, který je příliš slabý, by mohl nalákat vše na to, aby se rozdrtil dovnitř.

Osud stranou, proměnlivá povaha temné energie by dnes představovala hluboké problémy pro základní fyziku. Zrychlení větší než zrychlení kosmologické konstanty evokuje to, co kosmologové nazývají „fantomovou energií“, která má neustále rostoucí hustotu v průběhu času – něco zakazujícího naším současným chápáním gravitace.

Za předpokladu, že za předpokladu, že stojí výsledky, by toto nesouhlasy mohlo vyvolat éru „kosmologie Chaosu“, říká Abazajian, který nedávno zveřejnil papír, který ukázal, jak i předchozí výsledky Desi preferujte kolísající tmavou energii. Sladění toho, jak navrhuje, by vyžadovalo buď odhalení zcela nové základní síly, nebo si uvědomil, že náš vesmír má více než čtyři dimenze. „Bez ohledu na to, objevujeme tu novou fyziku,“ říká Abazajian. „Ve standardní fyzice není nic, co by umožňovalo vyvíjející se temnou energii.“

Ačkoli výsledky nepomáhají přímo vyřešit stávající napětí v kosmologii (týkající se protahování a vyhlazování vesmíru), vědci doufají, že nové poznatky je mohou nasměrovat na robustnější model. Během několika příštích let by se experimenty s euclidovým satelitem a nadcházející observatoř Vera C. Rubin měly zavlékat s doplňkovými ukazateli.

Vědci již začínají těžit údaje Desi pro stopy. Riess je fascinován tím, proč by se vyvíjející se temná energie vznášela kolem hodnoty kosmologické konstanty, kterou Einstein předpovídal spíše než jakoukoli jinou libovolnou hodnotu. „Je to skoro jako velikonoční vejce – něco se tam skrývá,“ říká.

Pro mnoho starších členů Desi přinášejí nové výsledky pocit úlevy. Na postgraduální škole Alexie Leauthaud, nyní na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz, sledoval, jak kolegové kosmologové debatovali o tom, zda jejich pole bylo předurčeno zemřít. Obávali se, že by kosmologické experimenty měřily pouze kosmologickou konstantu s větší přesností bez úspěchu. „Mnoho lidí připadalo, že jsme pronásledovali tyto desetinné body,“ říká. „Alespoň teď jdeme někde.“

Význam pro juniorské vědce zazvoní odlišně. Lamman poznamenává, jak od té doby, co byla schopna číst, se kosmologické učebnice nezměnily. „Toto pole bylo vždy stejné a já jsem to trochu považoval za samozřejmost,“ říká. „Nemyslím si, že jsem někdy plně internalizoval, že bychom mohli skutečně najít něco nového.“

Po uvolnění, Lamman a několik desítek jejích kolegů utekli na pláž, aby oslavili. Plovoucí v oceánu se podívala na přikrývku hvězd a vykřikla na obloze: „Známe vaše tajemství!“