Universum expanderar kontinuerligt, men den exakta hastigheten med vilken det gör det är fortfarande oklart, och har hittills endast uppskattats med hjälp av NASA:s rymdteleskop Hubble och andra liknande instrument. Dessutom, de senaste åren, astronomer som använder Hubble-teleskopet har avslöjat en diskrepans mellan de två primära teknikerna som används för att uppskatta universums expansionshastighet.

Väsentligen, mätningar som samlats in av Hubble-teleskopet tyder på att universum expanderar mycket snabbare än vad man kan sluta sig till från observationer av kosmisk mikrovågsbakgrund (CMB). Denna diskrepans, kallas Hubble-spänningen, har väckt ett växande intresse inom fysikforskningssamhället, Ändå har försöken att lösa det hittills misslyckats.

Forskare vid Johns Hopkins University och Swarthmore College har nyligen föreslagit och testat en alternativ modell som skulle kunna lösa Hubble-spänningen. I sin studie, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskarna tillämpade framgångsrikt en modell av mörk energi som tidigare presenterats av Marc Kamionkowski (en av författarna), som beskriver det som utvecklande men icke-interaktivt för Hubble-spänningen.

"Trots bristen på framgång, tidigare försök att lösa Hubble-spänningen gjorde det möjligt för oss att förstå ungefär vilka egenskaper en lösning bör ha, "Vivian Poulin, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "På samma gång, vi arbetade med att testa konsekvenserna av strängteorin med kosmologiska observerbara, som förutsäger existensen av en "axel, "dvs. ett stort antal extremt lätta partiklar med mycket speciella fysikaliska egenskaper. Vi insåg att en enkel modifiering av de fysikaliska egenskaperna hos dessa partiklar gav dem de egenskaper vi behövde i samband med Hubble-spänningen. Således, vi bestämde oss för att driva framåt i den här riktningen och testa denna alternativa modell."

Poulin och hans kollegor är teoretiska kosmologer, så de byggde inte ett instrument för att testa sina idéer. Istället, de använde data som samlats in under kända forskningssamarbeten som Plancks CMB-observationer och SH0ES H0-mätningarna. Med hjälp av denna tidigare insamlade data, forskarna tillämpade en modell för tidig mörk energi (EDE) på Hubble-spänningen.

Mörk energi är ett ihållande mysterium inom nuvarande kosmologiska förståelse, trots att de utgör cirka 70 procent av universums energitäthet. Det upptäcktes först 1998 av Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter och deras respektive team under deras supernovobservationer.

"En EDE betyder bara att dessa partiklar, i det kosmologiska sammanhanget, agera som en mörk energikomponent (dvs en vätska med negativt tryck) vid mycket tidigare tidpunkt än den nuvarande mörka energin gör, " förklarade Poulin. "I praktiken, dessa partiklar modifierar universums expansionshastighet runt den tid då CMB-fotoner emitterades (d.v.s. endast 380,- 000 år efter Big Bang), öka den något (med cirka 3 procent) jämfört med standardförutsägelsen."

I sin studie, Poulin och hans kollegor beräknade hur CMB skulle se ut i närvaro av en EDE-komponent. Med tanke på precisionen i de data som samlats in av Planck och används i deras beräkningar, forskarnas förutsägelser var ganska detaljerade.

"Vi behövde ta reda på exakt hur vår modell skulle bete sig, utvecklas och fluktuera, och hur det skulle påverka den kosmiska mikrovågsbakgrunden, det äldsta ljuset i universum, " Tanvi Karwal, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "CMB är komplex och dess form måste beräknas numeriskt, så vi lade till kod som beskriver EDE till en redan existerande kod för att extrahera kosmologisk information från CMB."

Poulin, Karwal och deras kollegor använde en superdator för att prova hundratusentals olika kosmologier. Detta gjorde det möjligt för dem att identifiera den kosmologi som bäst passar befintliga observationer av universum. De fann att denna nya kosmologiska modell, som inkluderar en EDE-komponent, kunde lösa Hubble-spänningen.

Väsentligen, forskarna observerade att en liten modifiering av universums expansionshastighet i det avlägsna förflutna, som produceras av en EDE, kan lösa Hubble-spänningen. Det är möjligt att den faktiska modellen som testades i deras studie, som bara är en så kallad leksaksmodell, förverkligas inte i naturen.

"Detta är inte problematiskt, eftersom i kosmologi, Det som verkligen betyder något är de dynamiska egenskaperna hos en ensemble av dessa partiklar (mer exakt, det är deras totala energitäthet och tryck), och inte så mycket deras individuella mikrofysikaliska egenskaper, " sa Poulin. "Faktiskt, det finns redan alternativa förverkliganden av EDE som föreslagits efter att vårt arbete publicerades, vars kollektiva egenskaper liknar den vi föreslog."

Övergripande, Poulins verk, Karwal och deras kollegor hjälper den nuvarande förståelsen av när och hur mycket EDE måste ha varit dynamiskt viktigt, vilket i slutändan skulle kunna informera utvecklingen av mer effektiva kosmologiska modeller. Med tanke på noggrannheten hos Planck-data, det är högst otrivialt att en vätska som representerar upp till 10 procent av universums energitäthet vid mycket tidiga tidpunkter inte skulle påverka CMB nämnvärt, vilket visar att det krävs betydande numeriska beräkningar.

"Mitt huvudsakliga bidrag från det här projektet är att onormala kosmologiska observationer kan hjälpa oss att utforska ny fysik, ", sade Karwal. "Denna forskning har inspirerat andra grupper att undersöka liknande modeller av EDE som en lösning på Hubble-spänningen. Vi har lite mer arbete att göra för att förfina och förstå vår EDE-modell, men är också intresserade av olika lösningar på Hubble-spänningen helt och hållet."

Forskarna planerar nu att testa sin modell ytterligare på flera sätt. Först, de skulle vilja använda den för att lära sig så mycket de kan om egenskaperna hos EDE. Faktiskt, även om det finns ett antal alternativa modeller av EDE, upplösningarna som produceras av dessa modeller är inte lika effektiva som de som genereras av den nya. Poulin, Karwal och deras kollegor skulle vilja förstå varför deras modell ger bättre förutsägelser, eftersom deras resultat framhäver datas känslighet för egenskaperna hos EDE.

"Vi vill också se om det finns ytterligare signaturer av dessa partiklar i kosmologiska observerbara objekt, " sa Poulin. "Till exempel, vi insåg redan att nästa generations CMB-experiment (som Simons Observatory och CMBS4) kunde testa denna modell oberoende av supernovobservationerna. Det betyder att man entydigt kan säga att denna vätska finns i naturen utan att behöva åberopa Hubble-spänningen. Men vi visade också att dessa modeller kan påverka de statistiska egenskaperna hos ensembler av galaxer, som vi har många observationer för."

I framtiden, ny data som samlats in med hjälp av rymdinstrument som EUCLID-satelliten och LSST-teleskopet skulle kunna förbättra noggrannheten och omfattningen av de mätningar som samlats in av detta team av forskare. Forskarna tror att dessa observationer också kan innehålla fingeravtrycket av EDE, även om att uppnå en korrekt förutsägelse av detta fingeravtryck kommer att kräva ytterligare arbete som går långt utöver de numeriska beräkningar de utförde.

© 2019 Science X Network