Dezbaterea accelerează asupra vitezei de expansiune a universului

O nepotrivire surprinzătoare afectează două metode pentru a măsura cât de repede se extinde universul. Când discrepanța a apărut în urmă cu câțiva ani, oamenii de știință bănuiau că va dispărea, un simptom al erorilor de măsurare. Dar cele mai recente măsurători mai precise ale ratei de expansiune – un număr cunoscut sub numele de constanta Hubble – nu au făcut decât să adâncească misterul.

„Nu există nimic evident în măsurătorile sau analizele care au fost făcute care să poată explica cu ușurință acest lucru, motiv pentru care cred că suntem atenți”, spune fizicianul teoretician Marc Kamionkowski de la Universitatea Johns Hopkins.

Dacă nepotrivirea persistă, ar putea dezvălui existența unor noi particule subatomice ascunse sau ar putea lumina detaliile misterioasei energie întunecată care împinge universul să se extindă din ce în ce mai repede.

Măsurătorile bazate pe observații ale supernovelor, explozii stelare masive, indică faptul că galaxiile separate distanță se răspândesc la o viteză de 73 de kilometri pe secundă pentru fiecare megaparsec (aproximativ 3,3 milioane de ani lumină) de distanță dintre ele. Oamenii de știință au folosit date de la telescopul spațial Hubble al NASA pentru a-și face estimările, prezentate într-o lucrare care va fi publicată în Jurnalul de astrofizică și disponibil online la arXiv.org. Analiza fixează constanta Hubble la erori experimentale de doar 2,4% – mai precise decât estimările anterioare folosind metoda supernovei.

Dar un alt set de măsurători, realizat de satelitul Planck al Agenției Spațiale Europene, pune cifra cu aproximativ 9% mai mică decât măsurătorile supernovei, la 67 km/s per megaparsec, cu o eroare experimentală de mai puțin de 1%. Asta pune cele două măsurători în conflict. Rezultatul lui Planck, raportat într-o lucrare publicată online pe 10 mai pe arXiv.org, se bazează pe măsurători ale radiației cosmice de fond cu microunde, lumină străveche care a apărut la doar 380.000 de ani după Big Bang.

Și acum, o altă echipă a cântărit cu o măsurătoare a constantei Hubble. Baryon Oscillation Spectroscopic Survey a raportat, de asemenea, că universul se extinde cu 67 km/s per mega-parsec, cu o eroare de 1,5%, într-o lucrare postată online pe arXiv.org pe 11 iulie. Acest lucru îl pune pe BOSS în conflict cu supernova. de asemenea măsurători. Pentru a efectua măsurarea, oamenii de știință de la BOSS au studiat modelele în gruparea a 1,2 milioane de galaxii. Această grupare este rezultatul undelor de presiune din universul timpuriu; analizarea distanței acelor amprente pe cer oferă o măsură a expansiunii universului.

Deși conflictul nu este nou (SN: 4/5/14, str. 18), dovezile că ceva nu este în regulă s-au întărit pe măsură ce oamenii de știință continuă să-și perfecționeze măsurătorile.

Cele mai recente rezultate sunt acum suficient de precise încât discrepanța este puțin probabil să fie o întâmplare. „A trecut de la a arăta ca poate doar ghinion, la – nu, nu poate fi ghinion”, spune liderul echipei de măsurare a supernovei, Adam Riess de la Johns Hopkins. Dar cauza este încă necunoscută, spune Riess. „Este un fel de mister în acest moment.”

De la nașterea sa dintr-o pată cosmică în Big Bang, universul s-a extins continuu. Și această expansiune se accelerează acum, pe măsură ce grupurile de galaxii se îndepărtează unul de celălalt într-un ritm din ce în ce mai mare. Descoperirea acestei accelerații în anii 1990 i-a determinat pe oamenii de știință să concluzioneze că energia întunecată pătrunde în univers, împingându-l să se extindă din ce în ce mai repede.

Pe măsură ce universul se extinde, lumina supernovelor este întinsă, schimbându-și frecvența. Pentru obiectele aflate la o distanță cunoscută, această schimbare de frecvență poate fi utilizată pentru a deduce constanta Hubble. Dar măsurarea distanțelor în univers este complicată, necesitând construirea unei „scări de distanță”, care combină mai multe metode care se bazează una pe cealaltă.

Pentru a-și crea scara de distanță, Riess și colegii au combinat măsurătorile geometrice ale distanței cu „lumânări standard” – obiecte de luminozitate cunoscută. Deoarece o lumânare care este mai departe este mai slabă, dacă îi cunoașteți luminozitatea absolută, puteți calcula distanța. Pentru lumânările standard, echipa a folosit stele variabile Cepheid, care pulsează la o rată corelată cu luminozitatea lor, și supernove de tip 1a, ale căror proprietăți de luminozitate sunt bine înțelese.

Oamenii de știință din echipa Planck, pe de altă parte, au analizat fundalul cosmic cu microunde, folosind variațiile de temperatură și polarizare pentru a calcula cât de repede se extindea universul la scurt timp după Big Bang. Oamenii de știință au folosit aceste informații pentru a prezice rata actuală de expansiune.

În ceea ce privește ceea ce ar putea cauza discrepanța persistentă dintre cele două metode, nu există răspunsuri ușoare, spune Kamionkowski. „În ceea ce privește explicațiile fizicii exotice, ne-am scărpinat în cap.”

Un nou tip de particule ar putea explica nepotrivirea. O posibilitate este o varietate nedescoperită de neutrini, care ar afecta rata de expansiune în universul timpuriu, spune astrofizicianul teoretic David Spergel de la Universitatea Princeton. „Dar este greu să potrivim asta cu celelalte date pe care le avem.” În schimb, Spergel favorizează o altă explicație: o caracteristică necunoscută în prezent a energiei întunecate. „Știm atât de puține despre energia întunecată, asta ar fi bănuiala mea despre unde este cel mai probabil soluția”, spune el.

Dacă energia întunecată se schimbă în timp, împingând universul să se extindă mai repede decât se prevedea, asta ar putea explica discrepanța. „Am putea fi pe cale să descoperim ceva netrivial despre energia întunecată – că este un câmp energetic în evoluție, nu doar constant”, spune cosmologul Kevork Abazajian de la Universitatea din California, Irvine.

O explicație mai probabilă, spun unii experți, este că un aspect subtil al uneia dintre măsurători nu este pe deplin înțeles. „În acest moment, nu aș spune că ați arăta spre oricare dintre acestea și ați spune că sunt lucruri foarte evidente greșite”, spune astronomul Wendy Freedman de la Universitatea din Chicago. Dar, spune ea, dacă calibrarea Cefeidelor nu funcționează așa de bine cum era de așteptat, asta ar putea schimba ușor măsurarea constantei Hubble.

„Pentru a stabili dacă există o problemă, trebuie să faceți un test complet independent”, spune Freedman. Echipa ei lucrează la o măsurare a constantei Hubble fără cefeide, folosind în schimb alte două tipuri de stele: stele variabile RR Lyrae și stele de ramuri gigantice roșii.

O altă posibilitate, spune Spergel, este că „lipsește ceva în rezultatele Planck”. Oamenii de știință Planck măsoară dimensiunea fluctuațiilor de temperatură între punctele de pe cer. Punctele separate de distanțe mai mari de pe cer dau o valoare a constantei Hubble în concordanță mai bună cu rezultatele supernovei. Și măsurătorile dintr-un experiment de fundal cu microunde cosmic anterior, WMAP, sunt, de asemenea, mai aproape de măsurătorile supernovei.

Dar, spune George Efstathiou, un astrofizician la Universitatea din Cambridge și membru al colaborării Planck, „aș spune că rezultatele Planck sunt solide.” Dacă explicațiile simple din ambele analize sunt excluse, astronomii pot fi forțați să concluzioneze că ceva important lipsește în înțelegerea universului de către oamenii de știință.

În comparație cu dezacordurile din trecut cu privire la valorile constantei Hubble, noua discrepanță este relativ minoră. „Din punct de vedere istoric, oamenii s-au certat cu vehemență dacă constanta Hubble a fost 50 sau 100, cele două tabere nu cedau niciun centimetru”, spune fizicianul teoretician Katherine Freese de la Universitatea din Michigan din Ann Arbor. Diferența actuală dintre cele două măsurători este „mică după standardele de pe vremuri”.

Măsurătorile cosmologice au devenit abia recent suficient de precise pentru ca o discrepanță de câteva procente să fie o problemă. „Că este atât de dificil de explicat este de fapt o indicație a cât de departe am ajuns în cosmologie”, spune Kamionkowski. „Acum douăzeci și cinci de ani, ai fluturat cu mâinile și ai inventa ceva.”