Tack vare den svindlande tillväxten av kosmiska observationer och mätverktyg och några nya framsteg (främst "upptäckten" av vad vi kallar mörk materia och mörk energi) allt mot bakgrund av allmän relativitetsteori, var det tidiga 2000-talet en tid då ingenting verkade kunna utmanar utvecklingen av vår kunskap om kosmos, dess ursprung och dess framtida utveckling.

Även om vi var medvetna om att det fortfarande fanns mycket att avslöja, visade den uppenbara överensstämmelsen mellan våra observationer, beräkningar och teoretiska ramar att vår kunskap om universum skulle växa avsevärt och utan avbrott.

Men tack vare allt mer sofistikerade observationer och beräkningar visade sig uppkomsten av ett till synes litet "glitch" i vår förståelse av universum kunna störa till synes perfekt oljade växlar. Först trodde man att det kunde lösas med ännu mer exakta beräkningar och mätningar, men så var inte fallet.

Den "kosmologiska spänningen" (eller Hubble Tension), är en diskrepans mellan de två sätten på vilka vi beräknar den så kallade Hubble-parametern, H₀ , som beskriver universums expansion.

Hubble-parametern kan beräknas enligt två vägar:

• De astrofysiska observationerna av himlakroppar definierade som lokala, d.v.s. inte särskilt långt från oss:det är möjligt att beräkna hastigheten med vilken kroppar på olika avstånd rör sig bort. Expansionen och H₀ i detta fall beräknas genom att jämföra hastigheter och avstånd.
• Beräkningarna baserade på data från den kosmiska mikrovågsbakgrunden CMB, en svag och extremt avlägsen strålning som går tillbaka till det mycket tidiga universum. Informationen vi samlar in på det avståndet gör att vi kan beräkna universums expansionshastighet och Hubble-parametern.

Dessa två källor gav inte exakt lika, men mycket nära och konsekventa värden på H₀ , och vid den tidpunkten verkade det som om de två metoderna visade god överensstämmelse. Bingo.

Det var runt 2013 när vi insåg att "siffrorna inte stämde". "Den avvikelse som uppstod kan tyckas liten, men med tanke på att felstaplarna på båda sidorna blir mycket mindre, blir denna separation mellan de två mätningarna stor," förklarar Khalife.

De två första värdena för H₀ i själva verket var inte alltför exakta, och eftersom "felstaplarna" var tillräckligt stora för att överlappa, fanns det hopp om att framtida finare mätningar äntligen skulle sammanfalla. "Sedan kom Planck-experimentet, som gav mycket små felstaplar jämfört med de tidigare experimenten" men fortfarande upprätthåller avvikelsen, och förhoppningar om en enkel lösning upphörde.

Planck var en satellit som lanserades i rymden 2007 för att samla in en bild av CMB så detaljerad som aldrig förr. Dess resultat som släpptes några år senare bekräftade att avvikelsen var verklig och vad som var en måttlig oro förvandlades till en betydande kris. Kort sagt:de senaste och närmaste delarna av universum vi observerar berättar en annan historia, eller snarare verkar lyda en annan fysik, än de äldsta och mest avlägsna, en mycket osannolik möjlighet.

Om det inte är ett problem med mätningar så kan det vara ett fel i teorin, trodde många. Den nuvarande accepterade teoretiska modellen kallas ΛCDM. ΛCDM är till stor del baserad på General Relativity – den mest extraordinära, eleganta och upprepade observationsbekräftade teorin om universum som formulerades av Albert Einstein för mer än ett sekel sedan – och tar hänsyn till mörk materia (tolkad som kall och långsamt rörlig) och mörk energi som en kosmologisk konstant.

Under de senaste åren har olika alternativa modeller eller tillägg till ΛCDM-modellen föreslagits, men hittills har ingen visat sig vara övertygande (eller ibland till och med trivialt testbar) för att avsevärt minska "spänningen".

– Det är viktigt att testa dessa olika modeller, se vad som fungerar och vad som kan uteslutas, så att vi kan smalna av vägen eller hitta nya vägar att vända oss till, förklarar Khalife. I sin nya artikel radade han och hans kollegor, på grundval av tidigare forskning, upp 11 av dessa modeller, vilket skapade lite ordning i den teoretiska djungeln som har skapats.

Modellerna testades med analytiska och statistiska metoder på olika uppsättningar data, både från det nära och avlägsna universum, inklusive de senaste resultaten från SH₀ ES (Supernova H₀ för the Equation of State) samarbete och SPT-3G (den nya uppgraderade kameran i South Pole Telescope, som samlar in CMB). Verket publicerades i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

Tre av de utvalda modellerna som i tidigare arbeten visades vara livskraftiga lösningar uteslöts i slutändan av de nya data som denna forskning anser. Å andra sidan verkar de andra tre modellerna fortfarande kunna minska spänningen, men detta löser inte problemet.

"Vi fann att de kunde minska spänningen på ett statistiskt signifikant sätt, men bara för att de har väldigt stora felstaplar och förutsägelserna de gör är för osäkra för normerna för kosmologisk forskning", säger Khalife.

"Det finns en skillnad mellan att lösa och att minska:dessa modeller minskar spänningen ur en statistisk synvinkel, men de löser den inte," vilket betyder att ingen av dem förutsäger ett stort värde på H₀ endast från CMB-data. Mer generellt visade sig ingen av de testade modellerna vara överlägsen de andra som studerades i detta arbete när det gäller att minska spänningen.

"Från vårt test vet vi nu vilka modeller vi inte bör titta på för att lösa spänningen", avslutar Khalife, "och vi känner också till modellerna som vi kan titta på i framtiden."

Detta arbete kan vara en bas för de modeller som kommer att utvecklas i framtiden, och genom att begränsa dem med allt mer exakta data kan vi komma närmare att utveckla en ny modell för vårt universum.

Mer information: Ali Rida Khalife et al, genomgång av Hubble-spänningslösningar med nya SH0ES- och SPT-3G-data, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI:10.1088/1475-7516/2024/04/059. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2312.09814

Journalinformation: arXiv

Tillhandahålls av International School of Advanced Studies (SISSA)