Eksperymenty technologiczne mają na celu złagodzenie kosmicznego napięcia

Dzięki zdumiewającemu rozwojowi obserwacji kosmologicznych, instrumentów pomiarowych i pewnym nowym osiągnięciom (przede wszystkim „odkryciu” tego, co nazywamy ciemną materią i ciemną energią), a wszystko to na tle ogólnej teorii względności, początek XXI wieku był czasem, w którym nic nie było w stanie tego. Kwestionowanie postępu naszej wiedzy o wszechświecie, jego pochodzeniu i przyszłej ewolucji.

Chociaż wiedzieliśmy, że jest jeszcze wiele do odkrycia, wyraźna zgodność między naszymi obserwacjami, obliczeniami i ramami teoretycznymi wskazywała, że ​​nasza wiedza o wszechświecie będzie rosła wykładniczo i nieprzerwanie.

Jednak dzięki coraz bardziej wyrafinowanym obserwacjom i kalkulacjom pojawienie się pozornie małej „usterki” w naszym rozumieniu Wszechświata okazało się zdolne do zablokowania pozornie doskonale naoliwionych przekładni. Początkowo sądzono, że problem można rozwiązać za pomocą dokładniejszych obliczeń i pomiarów, jednak tak się nie stało. „Napięcie kosmiczne” (lub napięcie Hubble'a) stanowi kontrast pomiędzy dwoma sposobami obliczania tak zwanego parametru Hubble'a, H0, który opisuje rozszerzanie się Wszechświata.

Parametr Hubble'a można obliczyć dwiema ścieżkami:

• Obserwacje astrofizyczne ciał niebieskich definiuje się jako lokalne, czyli niezbyt odległe od nas: można obliczyć prędkość, z jaką oddalają się obiekty znajdujące się w różnych odległościach. W tym przypadku rozszerzanie i H0 oblicza się poprzez porównanie prędkości i odległości.
• Obliczenia opierają się na danych z kosmicznego mikrofalowego tła (CMB), słabego, niezwykle odległego promieniowania pochodzącego z początków Wszechświata. Informacje, które zbieramy z tej odległości, pozwalają nam obliczyć tempo ekspansji Wszechświata i parametr Hubble'a.

Te dwa źródła nie podały dokładnie równych, ale bardzo bliskich i zgodnych wartości H0 i wówczas wydawało się, że obie metody wykazują dobrą zgodność. Bingo.

Około 2013 roku zdaliśmy sobie sprawę, że „liczby nie mają sensu”. „Wykryta rozbieżność może wydawać się niewielka, ale ponieważ słupki błędów po obu stronach stały się znacznie mniejsze, różnica między dwoma pomiarami stała się duża” – wyjaśnia Khalifa. W rzeczywistości dwie pierwsze wartości H0 nie były zbyt dokładne, a ponieważ „słupki błędów” były na tyle duże, że mogły się na siebie nakładać, istniała nadzieja, że ​​przyszłe dokładne pomiary w końcu będą zgodne. „Potem przyszedł eksperyment Plancka, który dał bardzo małe słupki błędów w porównaniu z poprzednimi eksperymentami”, ale nadal utrzymywał rozbieżność, rozwiewając nadzieje na łatwe rozwiązanie.

Planck był satelitą wystrzelonym w przestrzeń kosmiczną w 2007 roku, aby zebrać szczegółowy obraz CMB jak nigdy dotąd. Wyniki badania, opublikowane kilka lat później, potwierdziły, że rozbieżność była realna i że to, co było niewielkim problemem, przerodziło się w poważny kryzys. W skrócie: młodsze, bliższe części Wszechświata, które obserwujemy, opowiadają inną historię, a raczej wydają się podlegać innej fizyce, niż starsze, bardziej odległe części, co jest wyjątkowo mało prawdopodobne.

Wielu uważa, że ​​jeśli problem nie leży w pomiarach, może to oznaczać błąd w teorii. Obecnie przyjęty model teoretyczny nazywa się ΛCDM. ΛCDM opiera się w dużej mierze na ogólnej teorii względności — najbardziej niezwykłej, eleganckiej i często potwierdzanej teorii wszechświata sformułowanej przez Alberta Einsteina ponad sto lat temu — i uwzględnia ciemną materię (którą interpretuje się jako zimną i wolno poruszającą się) oraz ciemną energię jako stała kosmologiczna.

W ciągu ostatnich lat zaproponowano różne alternatywne modele lub rozszerzenia modelu ΛCDM, ale jak dotąd żaden nie okazał się przekonujący (lub nawet czasami nawet w trywialny sposób testowalny) pod względem znacznego zmniejszenia „stresu”. „Ważne jest przetestowanie tych różnych modeli i sprawdzenie, co się sprawdza, a co można pominąć, abyśmy mogli zawęzić ścieżkę lub znaleźć nowe kierunki działania” – wyjaśnia Khalifa. W swojej nowej pracy on i jego współpracownicy na podstawie wcześniejszych badań formułują 11 takich modeli, porządkując powstały las teoretyczny. Modele przetestowano przy użyciu metod analitycznych i statystycznych na różnych zbiorach danych, zarówno z bliskiego, jak i odległego Wszechświata, w tym na najnowszych wynikach współpracy SH0ES (Supernova H0 Equation of State) i SPT-3G (Nowa progresywna kamera). Z Teleskopu Bieguna Południowego, zbiory CMB).

Trzy z wybranych modeli, które w poprzednich pracach wykazano jako wykonalne rozwiązania, zostały ostatecznie wykluczone na podstawie nowych danych uwzględnionych w tym badaniu. Z drugiej strony pozostałe trzy modele nadal wydają się być w stanie rozładować napięcie, ale to nie rozwiązuje problemu. „Odkryliśmy, że mogą one zmniejszyć stres w statystycznie istotny sposób, ale tylko dlatego, że mają bardzo duże słupki błędów, a dokonywane przez nie przewidywania są bardzo niepewne w porównaniu ze standardami badań kosmologicznych” – mówi Khalifa. „Istnieje różnica między rozwiązaniem a redukcją: modele te zmniejszają napięcie ze statystycznego punktu widzenia, ale nie rozwiązują problemu”, co oznacza, że ​​żaden z nich nie przewiduje istotnej wartości H0 na podstawie samych danych CMB. Ogólnie rzecz biorąc, żaden z testowanych modeli nie okazał się lepszy od innych badanych w tej pracy pod względem zmniejszania stresu.

„Dzięki naszym testom wiemy teraz, jakich modeli nie powinniśmy szukać, aby rozwiązać stres, ale wiemy też, do jakich modeli możemy się zwrócić w przyszłości” – podsumowuje Khalifa. Prace te mogą posłużyć za podstawę do opracowania modeli w przyszłości, a ograniczając je coraz precyzyjnymi danymi, możemy zbliżyć się do opracowania nowego modelu naszego Wszechświata.