Den observerade accelerationen av Hubble-expansionshastigheten har tillskrivits en mystisk "mörk energi" som förmodligen utgör cirka 70% av universum. Professor Subir Sarkar från Rudolf Peierls Center for Theoretical Physics, Oxford tillsammans med medarbetare vid Institut d'Astrophysique, Paris och Niels Bohr Institute, Köpenhamn har använt observationer av 740 supernovor av typ Ia för att visa att denna acceleration är en relativt lokal effekt - den är riktad längs den riktning vi verkar röra oss med avseende på den kosmiska mikrovågsbakgrunden (som uppvisar en liknande dipolanisotropi). Även om den fysiska orsaken till denna acceleration är okänd, det kan inte tillskrivas mörk energi som skulle ha orsakat lika acceleration i alla riktningar.

Professor Sarkar förklarar:"Den kosmologiska standardmodellen vilar på antagandet att universum är isotropiskt runt alla observatörer. Denna kosmologiska princip är en förlängning av den kopernikanska principen – nämligen att vi inte är privilegierade observatörer. Den ger en enorm förenkling i den matematiska konstruktionen. av den kosmologiska modellen med hjälp av Einsteins allmänna relativitetsteori. Men när observationsdata tolkas inom denna ram leder vi till den häpnadsväckande slutsatsen att cirka 70 % av universum utgörs av Einsteins kosmologiska konstant eller mer allmänt "mörk energi." tolkats som på grund av kvantnollpunktsfluktuationer i vakuumet men den associerade energiskalan är satt av H0, universums nuvarande expansionshastighet. Detta är dock en faktor på 10 ⁴⁴ under energiskalan för standardmodellen för partikelfysik – den väletablerade kvantfältteorin som exakt beskriver alla subatomära fenomen. Dess nollpunktsfluktuationer har därför en enorm energitäthet som skulle ha hindrat universum från att nå sin nuvarande ålder och storlek om de verkligen påverkar expansionshastigheten via gravitationen. Till detta kosmologiska konstanta problem måste läggas "varför nu?" problem, nämligen varför har mörk energi kommit att dominera universum först nyligen? Det var försumbart tidigare, särskilt vid en ålder av ~400, 000 år när den ursprungliga plasman kyldes tillräckligt för att bilda atomer och den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CMB) släpptes (därav är CMB inte direkt känslig för mörk energi)."

Det är mot denna bakgrund han, tillsammans med Jacques Colin och Roya Mohayaee (Institut d'Astrophysique, Paris) och Mohamed Rameez (Niels Bohr Institute, Köpenhamn), satte sig för att undersöka om mörk energi verkligen existerar. Det primära beviset – belönat med 2011 års Nobelpris i fysik – gäller "upptäckten av den accelererade expansionen av universum genom observationer av avlägsna supernovor" 1998 av två team av astronomer. Detta baserades på observationer av cirka 60 supernovor av typ Ia, men under tiden, provet hade växt, och 2014, data gjordes tillgängliga för 740 objekt utspridda över himlen (Joint Lightcurve Analysis-katalogen).

Forskarna tittade för att se om den antagna accelerationen av Hubble-expansionshastigheten var enhetlig över himlen.

"Först, vi räknade ut supernovans rödförskjutningar och skenbara magnituder som uppmätta (i det heliocentriska systemet), ångra korrigeringarna som hade gjorts i JLA-katalogen för lokala "märkliga" (icke-Hubbles) hastigheter. Detta hade gjorts för att bestämma deras värden i CMB-ramen där universum skulle se isotropt ut - dock tidigare arbete av vårt team har visat att sådana korrigeringar är misstänkta eftersom märkliga hastigheter inte faller av med ökande avstånd, därför finns det ingen konvergens till CMB-ramen ens så långt ut som en miljard ljusår, säger professor Sarkar.

Mörk energi

"När vi sedan använde standardstatistiken för maximal sannolikhetsestimator för att extrahera parametervärden, vi gjorde ett häpnadsväckande fynd. Supernovadata indikerar, med en statistisk signifikans på 3,9σ, en dipolanisotropi i den härledda accelerationen (se figur) i samma riktning som vi rör oss lokalt, vilket indikeras av en liknande, välkänd, dipol i CMB. Däremot varje isotrop (monopol) acceleration som kan tillskrivas mörk energi är 50 gånger mindre och överensstämmer med att vara noll vid 1,4σ. Enligt det Bayesianska informationskriteriet, den bästa passformen till data har, faktiskt, ingen isotrop komponent. Vi visade att att tillåta evolution med rödförskjutning av parametrarna som används för att passa supernovaljuskurvorna ändrar inte slutsatsen - vilket motbevisar tidigare kritik av vår metod.

"Vår analys är datadriven men stöder det teoretiska förslaget från Christos Tsagas (Universitetet i Thessaloniki) att acceleration kan antas när vi inte är kopernikanska observatörer, som man brukar anta, men är inbäddade i ett lokalt bulkflöde som delas av närliggande galaxer, i befintligt skick, verkligen, observerade. Detta är oväntat i den vanliga kosmologiska modellen, och orsaken till ett sådant flöde förblir oförklarat. Men oberoende av det, det verkar som att accelerationen är en artefakt av vårt lokala flöde, så mörk energi kan inte åberopas som dess orsak.

"Det finns, verkligen, andra undersökningar av vår expansionshistoria, t.ex. avtrycket av baryon akustiska oscillationer (BAO) i distributionen av galaxer, de äldsta stjärnornas åldrar, strukturens tillväxttakt, etc., men sådana uppgifter är fortfarande för sparsamma, och för närvarande lika väl överensstämmande med ett icke-accelererande universum. De exakt uppmätta temperaturfluktuationerna i CMB är inte direkt känsliga för mörk energi, även om dess närvaro vanligtvis härleds från summaregeln att medan CMB mäter universums rumsliga krökning till att vara nära noll, dess materiainnehåll räcker inte till den kritiska tätheten för att göra det så. Detta är, dock, sant endast under antagandena om exakt homogenitet och isotropi - som nu är ifrågasatta."

Professor Sarkar avslutar:"Men framsteg kommer snart att göras. The Large Synoptic Survey Telescope kommer att mäta många fler supernovor och bekräfta eller utesluta en dipol i retardationsparametern. Dark Energy Spectroscopic Instrument och Euclid-satelliten kommer att mäta BAO och linser exakt. European Extremely Large Telescope kommer att mäta "rödförskjutningsdriften" av avlägsna källor över en tidsperiod, och gör på så sätt en direkt mätning av universums expansionshistoria."