I mer än ett sekel har forskare har vetat att universum har expanderat sedan big bang, urhändelsen som startade allt för 13,8 miljarder år sedan.

Men hittills, de har inte kunnat lösa ett knepigt problem. Hur snabbt expanderar det? Det beror på att det finns en skillnad mellan den uppskattade hastigheten baserad på strålning kvar från big bang, känd som den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB i vetenskapligt språk, och den betydligt snabbare takten baserat på observationer av supernovor. Hastigheten för universums expansion är känd som Hubble Constant, så kallas skillnaden "Hubble -spänningen".

Forskare har trott att universums fortsatta expansion har drivits av en kraft som kallas mörk energi, som tycks ha börjat vända universums avtagande acceleration 7 eller 8 miljarder år efter big bang.

Vad är mörk energi?

"Mörk energi är en hypotetisk energikälla i universum idag som, enligt vår bästa förståelse av universum utgör cirka 70 procent av den totala energin i universum, "förklarar Glenn Starkman, en framstående universitetsprofessor och medordförande för fysikavdelningen vid Case Western Reserve University.

"Det främsta beviset för dess existens är den accelererande expansionen av universum som verkar ha pågått under de senaste miljarder åren, "säger Starkman." För att driva en sådan expansion krävs en energikälla som inte blir mer utspädd (eller späds väldigt lite) när universum expanderar. Detta diskvalificerar de flesta energikällor - t.ex. vanlig sak, eller mörk materia, som båda blir mindre täta när universum blir större. Den enklaste modellen för mörk energi är att det är den oförändrade energitätheten i samband med tomt utrymme. Som sådan, om utrymmet expanderar, densiteten för mörk energi skulle förbli konstant. "

Men, det finns många saker som är oförklarliga om mörk energi, inklusive varför det inte fanns hela tiden. Och även införandet av mörk energi i standardmodellen löser inte skillnaden mellan de två mätningarna av kosmisk expansion.

Och Early Dark Energy?

Men två nya, ännu inte publicerade studier, båda baserade på data som samlats in mellan 2013 och 2016 av Atacama Cosmology Telescope (ACT), kan hjälpa till att peka på en möjlig lösning för ett problem. Forskare tror att de har hittat spår av en typ av "tidig" mörk energi som fanns under de första 300, 000 år efter big bang. Den här senaste artikeln i Nature av Davide Castelvecchi publicerade först de två tidningarna, en av ACT -teamet och den andra av en oberoende grupp som inkluderade Vivian Poulin, astrofysiker vid universitetet i Montpellier i Frankrike, och kollegorna Tristian L. Smith och Alexa Bartlett från Swarthmore College.

Idén om tidig mörk energi ursprungligen föreslogs för några år sedan av Poulin, sedan en postdoktor vid Johns Hopkins University, Smith och kollegor, som ett sätt att lösa frågan.

"Tidig mörk energi är ett förslag på en annan form av mörk energi, d.v.s. inte uppenbarligen relaterad till den mörka energin som orsakar dagens accelererade expansion, "Starkman förklarar. EDE" skulle ha spelat en viktig roll i universum för länge sedan, när universum var cirka 10, 000 gånger mindre och varmare än det är för närvarande. "Det är ett koncept, han säger, som "har utformats för att lösa vissa mystiska meningsskiljaktigheter om universums expansionshastighet."

Som Nature -artikeln förklarar, tidig mörk energi skulle inte ha varit tillräckligt stark för att orsaka universums accelererade expansion miljarder år senare. Istället, det skulle indirekt ha påverkat det, genom att orsaka blandningen av elementära partiklar, eller plasma, bildades strax efter big bang, att svalna snabbare. Den där, i tur och ordning, skulle påverka hur den kosmiska mikrovågsbakgrunden ska mätas - särskilt mätningar av universums ålder och expansionshastighet baserat på hur långt ljudvågor kunde färdas i plasma innan det svalnade till gas - och resultera i en snabbare expansionshastighet som är närmare till vad astronomer beräknar baserat på himmelska föremål.

Tidig mörk energi är en knepig teoretisk lösning, men "det är den enda modellen vi kan få till jobbet, "som Johns Hopkins University teoretiska fysiker Mark Kamionkowski, en av författarna till tidigt mörkt energipapper 2018, förklarade för naturen.

Slutsatsen är inte klar

De två studierna kan hjälpa till att stärka fallet för tidig mörk energi, men en av de inblandade forskarna säger att han fortfarande inte är helt övertygad och varnar för att mer arbete krävs för att komma till en klar slutsats.

"Jag har varit skeptisk till tidigt mörka energimodeller på grund av problem som de möter vid matchning av högprecisionsmätningar av storskalig fördelning av galaxer och materia i universum (" storskalig struktur ", eller LSS), "Columbia University biträdande professor i fysik J. Colin Hill, medförfattare till ACT-teamets studie, anteckningar i ett mejl. (Hills ifrågasättande av konceptet återspeglas i detta dokument som han var medförfattare till 2020, och i ett senare papper också, och han nämner också en annan uppsats av andra forskare som väcker liknande komplikationer.)

"Avhämtningen från de tre papper som är länkade ovan är att de tidiga mörka energimodellerna som passar CMB -data och Riess, et al., H0 -data ger förutsägelser för LSS som inte matchar data från dessa undersökningar, "Hill skriver i e -postmeddelandet." Således, vi drog slutsatsen att det troligen behövs en annan teoretisk modell, eller åtminstone någon ändring av scenariot för tidigt mörkt energi. "

I den nya studien som Hill och ACT -kollegor just publicerade, de beaktade inte LSS -data i analysen, och fokuserade istället nästan uteslutande på CMB -data. "Målet var verkligen att se om Planck och ACT CMB -data gav konsekventa resultat i tidigt mörkt energisammanhang. Vi fann att de ger något olika resultat, vilket är ett stort pussel som vi nu jobbar hårt på att försöka förstå. Från mitt perspektiv, LSS -problemet för det tidiga mörka energiscenariot förblir olöst. "

"Dessutom, Planck -data på egen hand (som förblir den mest exakta datamängden i kosmologin) visar inte en preferens för tidig mörk energi, "Hill förklarar." Således, trots de tips som vi har sett i ACT -data för tidig mörk energi, Jag är försiktig med om den här modellen verkligen kan vara den sista historien. Vi behöver mer data för att ta reda på det. "

Om det fanns, tidig mörk energi skulle ha liknat den kraft som tros driva universums nuvarande expansionstakt. Men det skulle ändå kräva en betydande omprövning av den teoretiska modellen.

"Den största skillnaden är att denna tidiga mörka energi bara måste spela en roll under en kort period i kosmisk historia, och sedan måste "försvinna", "Hill säger." För att uppnå detta, vi konstruerar partikelfysikmodeller av ett nytt område (tekniskt sett ett axionsliknande fält) som verkar för att snabbt påskynda universums expansion före rekombination, men sedan försvinner snabbt och blir irrelevant. "

"I kontrast, den nuvarande ledande bilden för standard mörk energi är att det helt enkelt är en kosmologisk konstant, troligen från vakuumenergi, "Hill fortsätter." Denna form av energi förändras inte med tiden. Det är möjligt, dock, att standard mörk energi kan bero på något nytt grundfält som vi ännu inte har förstått. I detta fall, det kan mycket väl vara tidsutvecklande, och det kan således likna den tidiga mörka energimodellen som diskuterats ovan. "

"På nytt, vi behöver mer data för att undersöka dessa frågor mer exakt, och förhoppningsvis ta reda på svar under det kommande decenniet, "Säger Hill." Lyckligtvis många kraftfulla experiment kommer snart online. "Han nämner faciliteter som Simons -observatoriet, som kommer att studera CMB, liksom Rubin -observatoriet och rymdteleskopen Euklides och romerska, som kommer att samla ny information om LSS. "Det ska vara väldigt spännande att se vad vi hittar, " han säger.

Här är en YouTube -video där Hill diskuterar tidig mörk energi:

Starkman säger att det är viktigt att vara försiktig med sådana "extraordinära" påståenden, om inte bevisen är tydliga och övertygande. Som han påpekar, det finns bevis mot EDE också. "De nuvarande resultaten visar ökande spänningar mellan två experimentella datamängder för observation av den kosmiska mikrovågsbakgrunden - från European Space Agency's Planck -satellit som flög i början av det senaste decenniet, och från det nuvarande Atacama Cosmology Telescope. Den förra verkar inte stödja tanken på tidig mörk energi, medan den senare nu gör det. Sådana spänningar mellan experiment är vanliga och frustrerande. Det är frestande att säga att mer data från ACT kommer att lösa saken, men helt enkelt överväldigande av de färdiga Planck -data med mer ACT -data kommer inte att förklara varför Planck -data inte gynnar EDE. Spänningen verkar sannolikt kräva en reviderad förståelse för ett av dessa experiment för att på ett eller annat sätt ge ett tydligt fall. "

Wendy Freedman, en professor i astronomi och astrofysik vid University of Chicago som har arbetat med att mäta kosmisk expansion, tycker att det är viktigt att följa olika alternativa modeller.

Lambda Cold Dark Matter (LCDM) modell

"Vi har för närvarande en standardmodell för kosmologi, den så kallade lambda cold dark matter (LCDM) modellen, "Freedman, författaren till denna artikel, publicerad 17 september, 2021, om Hubble Constant i The Astrophysical Journal, förklarar i ett mejl. "I den modellen beror ungefär 1/3 av den totala materien + energitätheten på materia (varav de flesta är mörk materia) och 2/3 beror på en komponent av mörk energi."

"Dock, vid den aktuella tiden, vi känner inte till varken mörk materia eller mörk energi, "Freedman fortsätter." Ändå ger LCDM en extremt bra passform till ett mycket brett spektrum av olika experiment och observationer. Med tanke på vårt kunskapsläge, Det är klart viktigt att testa standardmodellen ytterligare. Den nuvarande uppenbara skillnaden mellan värdet på Hubble -konstanten som härleds från CMB -mätningar och några lokala mätningar kan signalera ny fysik. Det är därför jag säger att det är viktigt att undersöka andra modeller utöver lambda CDM. "

Men Freedman tillägger en viktig varning:"Alternativt, det kan finnas ett ännu okänt systematiskt fel som är ansvarigt för den uppenbara avvikelsen. Det är därför också viktigt att minska osäkerheterna i de nuvarande Hubble -konstantmätningarna. "

Om tidig mörk energi visar sig ha funnits, att räkna in det i uppskattningen av universums ålder skulle resultera i att kosmos var 1,4 miljarder år yngre än den nuvarande uppskattningen på 13,8 miljarder år.