Visums izrādījās nepareizs

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Kosmologi saskaras ar nopietnu zinātnisku problēmu, kas liecina par cilvēka zināšanu nepilnībām par Visumu. Sarežģītība attiecas uz tādu šķietami triviālu lietu kā Visuma izplešanās ātrums. Fakts ir tāds, ka dažādas metodes norāda uz dažādām nozīmēm - un līdz šim neviens nevar izskaidrot dīvaino neatbilstību.

Kosmiskais noslēpums

Pašlaik standarta kosmoloģiskais modelis "Lambda-CDM" (ΛCDM) visprecīzāk apraksta Visuma evolūciju un struktūru. Saskaņā ar šo modeli Visumam ir nulles pozitīva kosmoloģiskā konstante (lambda termins), kas izraisa paātrinātu izplešanos. Turklāt ΛCDM izskaidro novēroto CMB (kosmiskā mikroviļņu fona) struktūru, galaktiku izplatību Visumā, ūdeņraža un citu gaismas atomu pārpilnību un pašu vakuuma izplešanās ātrumu. Tomēr nopietna paplašināšanās ātruma neatbilstība var norādīt uz nepieciešamību veikt radikālas modeļa izmaiņas.

Teorētiskā fiziķe Viviana Pulina no Francijas Nacionālā zinātniskās pētniecības centra un Visuma un daļiņu laboratorijas Monpeljē apgalvo, ka tas nozīmē sekojošo: jaunajā Visumā ir noticis kaut kas svarīgs, par ko mēs vēl nezinām. Varbūt tā bija parādība, kas saistīta ar nezināmu tumšās enerģijas veidu vai jauna veida subatomiskām daļiņām. Ja modelis to ņems vērā, neatbilstība pazudīs.

Uz krīzes robežas

Viens no veidiem, kā noteikt Visuma izplešanās ātrumu, ir izpētīt mikroviļņu fonu – relikto starojumu, kas radās 380 tūkstošus gadu pēc Lielā sprādziena. ΛCDM var izmantot, lai iegūtu Habla konstanti, mērot lielas CMB svārstības. Izrādījās, ka tas ir vienāds ar 67, 4 kilometriem sekundē uz katru megaparseku jeb aptuveni trīs miljonus gaismas gadu (tādā ātrumā objekti atšķiras viens no otra atbilstošā attālumā). Šajā gadījumā kļūda ir tikai 0,5 kilometri sekundē uz megaparseku.

Ja mēs iegūstam aptuveni tādu pašu vērtību, izmantojot citu metodi, tas apstiprinās standarta kosmoloģiskā modeļa derīgumu. Zinātnieki izmērīja standarta sveču šķietamo spilgtumu - objektus, kuru spilgtums vienmēr ir zināms. Šādi objekti ir, piemēram, Ia tipa supernovas – baltie punduri, kas vairs nespēj absorbēt vielu no lielām pavadošajām zvaigznēm un eksplodēt. Pēc standarta sveču šķietamā spilgtuma jūs varat noteikt attālumu līdz tām. Paralēli var izmērīt supernovu sarkano nobīdi, tas ir, gaismas viļņu garuma nobīdi uz spektra sarkano apgabalu. Jo lielāka ir sarkanā nobīde, jo lielāks ātrums, ar kādu objekts tiek noņemts no novērotāja.

Tādējādi kļūst iespējams noteikt Visuma izplešanās ātrumu, kas šajā gadījumā izrādās vienāds ar 74 kilometriem sekundē uz katru megaparseku. Tas neatbilst vērtībām, kas iegūtas no ΛCDM. Tomēr maz ticams, ka mērījumu kļūda var izskaidrot neatbilstību.

Kā norāda Deivids Gross no Kalifornijas Universitātes Santabarbaras Teorētiskās fizikas institūta, daļiņu fizikā šādu neatbilstību nosauktu nevis par problēmu, bet gan par krīzi. Tomēr vairāki zinātnieki nepiekrita šim vērtējumam. Situāciju sarežģīja cita metode, kas arī balstās uz agrīnā Visuma izpēti, proti, barioniskās akustiskās svārstības - agrīno Visumu aizpildošās redzamās matērijas blīvuma svārstības. Šīs vibrācijas izraisa plazmas akustiskie viļņi, un to izmēri vienmēr ir zināmi, tāpēc tās izskatās kā standarta sveces. Apvienojumā ar citiem mērījumiem tie nodrošina Habla konstanti, kas atbilst ΛCDM.

Jauns modelis

Pastāv iespēja, ka zinātnieki ir pieļāvuši kļūdu, izmantojot Ia tipa supernovas. Lai noteiktu attālumu līdz attālam objektam, jums ir jāizveido attāluma kāpnes.

Pirmais šo kāpņu pakāpiens ir cefeīdas - mainīgas zvaigznes ar precīzu perioda un spilgtuma attiecību. Cefeīdus var izmantot, lai noteiktu attālumu līdz tuvākajām Ia tipa supernovām. Vienā no pētījumiem cefeīdu vietā tika izmantoti sarkanie milži, kas noteiktā dzīves posmā sasniedz maksimālo spilgtumu - tas ir visiem sarkanajiem milžiem.

Rezultātā Habla konstante izrādījās 69,8 kilometri sekundē uz megaparseku. Krīzes nav, saka Vendija Frīdmena no Čikāgas Universitātes, viena no darba autorēm.

Taču arī šis apgalvojums tika apšaubīts. H0LiCOW sadarbība mērīja Habla konstanti, izmantojot gravitācijas lēcas, kas rodas, kad masīvs ķermenis izliec starus no attāla objekta aiz tā. Pēdējie varētu būt kvazāri – aktīvo galaktiku kodoli, ko baro supermasīvs melnais caurums. Gravitācijas lēcu dēļ var parādīties vairāki viena kvazāra attēli vienlaikus. Mērot šo attēlu mirgošanu, zinātnieki ir ieguvuši atjauninātu Habla konstanti 73,3 kilometri sekundē uz megaparseku. Tajā pašā laikā zinātnieki līdz pēdējam nezināja iespējamo rezultātu, kas izslēdz krāpšanas iespēju.

Habla konstantes mērīšanas rezultāts no dabiskajiem maseriem, kas veidojas, gāzei rotējot ap melno caurumu, izrādījās 74 kilometri sekundē uz megaparseku. Citas metodes deva 76,5 un 73,6 kilometrus sekundē uz megaparseku. Problēmas rodas arī matērijas izplatības mērīšanā Visumā, jo gravitācijas lēca dod atšķirīgu vērtību salīdzinājumā ar mikroviļņu fona mērījumiem.

Ja izrādīsies, ka neatbilstība nav radusies mērījumu kļūdu dēļ, tad būs nepieciešama jauna teorija, lai izskaidrotu visus šobrīd pieejamos datus. Viens no iespējamiem risinājumiem ir mainīt tumšās enerģijas daudzumu, kas izraisa Visuma paātrināto izplešanos. Lai gan lielākā daļa zinātnieku atbalsta iztikšanu bez fizikas atjaunināšanas, problēma joprojām nav atrisināta.