Wir verstehen etwas falsch im Universum.
Es könnte etwas Kleines sein: Ein Messproblem, bei dem bestimmte Sterne näher oder weiter entfernt sind als sie sind, könnten Astrophysiker mit ein paar Änderungen an der Art und Weise beheben, wie sie Entfernungen über den Raum messen. Es könnte etwas Großes sein: ein Fehler - oder eine Reihe von Fehlern - in der Kosmologie oder unser Verständnis des Ursprungs und der Entwicklung des Universums. Wenn dies der Fall ist, kann unsere gesamte Geschichte von Raum und Zeit durcheinander gebracht werden. Was auch immer das Problem ist, wichtige Beobachtungen des Universums stimmen nicht überein: Gemessen an einer Richtung scheint sich das Universum mit einer bestimmten Geschwindigkeit auszudehnen; Anders ausgedrückt scheint sich das Universum mit einer anderen Geschwindigkeit auszudehnen. Und wie ein neues Papier zeigt, sind diese Diskrepanzen in den letzten Jahren größer geworden, obwohl die Messungen präziser geworden sind.
"Wir denken, wenn unser Verständnis der Kosmologie korrekt ist, sollten all diese verschiedenen Messungen die gleiche Antwort geben", sagte Katie Mack, theoretische Kosmologin an der North Carolina State University (NCSU) und Mitautorin des neuen Papiers .
Die beiden bekanntesten Messungen arbeiten sehr unterschiedlich. Die erste basiert auf dem Cosmic Microwave Background (CMB): der Mikrowellenstrahlung, die von den ersten Augenblicken nach dem Urknall übrig geblieben ist. Kosmologen haben theoretische Modelle der gesamten Geschichte des Universums auf einer CMB-Grundlage erstellt - Modelle, in die sie sehr zuversichtlich sind, und für deren Bruch eine völlig neue Physik erforderlich wäre. Zusammengenommen, sagte Mack, ergeben sie eine einigermaßen genaue Zahl für die Hubble-Konstante (H0), die bestimmt, wie schnell sich das Universum derzeit ausdehnt.
Die zweite Messung verwendet Supernovas und blinkende Sterne in nahe gelegenen Galaxien, die als Cepheiden bekannt sind. Durch die Messung, wie weit diese Galaxien von unseren entfernt sind und wie schnell sie sich von uns entfernen, haben Astronomen eine ihrer Meinung nach sehr genaue Messung der Hubble-Konstante erhalten. Und diese Methode bietet ein anderes H0.
"Wenn wir unterschiedliche Antworten erhalten, bedeutet dies, dass wir etwas nicht wissen", sagte Mack gegenüber Live Science. "Es geht also wirklich nicht nur darum, die aktuelle Expansionsrate des Universums zu verstehen - woran wir interessiert sind -, sondern auch darum zu verstehen, wie sich das Universum entwickelt hat, wie sich die Expansion entwickelt hat und welche Raumzeit dies alles getan hat Zeit."
Weikang Lin, ebenfalls Kosmologe an der NCSU und Hauptautor des Papiers, sagte, dass das Team beschlossen habe, alle verschiedenen Möglichkeiten zur "Einschränkung" von H0 an einem Ort zusammenzufassen, um ein vollständiges Bild des Problems zu erhalten. Das Papier wurde noch nicht offiziell einer Peer-Review unterzogen oder veröffentlicht und ist auf dem Preprint-Server arXiv verfügbar.
Folgendes bedeutet "Einschränken": Messungen in der Physik liefern selten genaue Antworten. Stattdessen schränken sie den Bereich möglicher Antworten ein. Wenn Sie diese Einschränkungen gemeinsam betrachten, können Sie viel über etwas lernen, das Sie studieren. Wenn Sie beispielsweise durch ein Teleskop schauen, können Sie feststellen, dass ein Lichtpunkt im Raum entweder rot, gelb oder orange ist. Ein anderer könnte Ihnen sagen, dass es heller als die meisten anderen Lichter im Weltraum ist, aber weniger hell als die Sonne. Ein anderer könnte Ihnen sagen, dass er sich so schnell wie ein Planet über den Himmel bewegt. Keine dieser Einschränkungen würde Ihnen allein viel sagen, aber zusammengenommen deuten sie darauf hin, dass Sie auf den Mars schauen.
Lin, Mack und ihr dritter Co-Autor, der NCSU-Doktorand Liqiang Hou, untersuchten die Einschränkungen für zwei Konstanten: H0 und etwas, das als "Massenanteil" des Universums bezeichnet wird und als Ωm bezeichnet wird und Ihnen sagt, wie viel vom Universum ist Energie und wie viel ist Materie. Viele Messungen von H0 beschränken auch Ωm, sagte Lin, daher ist es nützlich, sie zusammen zu betrachten.
Das brachte diese farbenfrohe Handlung hervor:
Das mit gestrecktem Magenta-Oval markierte WMAP ist der Bereich möglicher Massenfraktionen und Hubble-Konstanten, die früher möglich waren, basierend auf einer früheren NASA-Studie des CMB, bekannt als Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Die gelbe Spalte mit der Bezeichnung CV SN (kurz für "Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae") bezieht sich auf die Cepheid-Supernova-Messungen, die den Massenanteil des Universums nicht einschränken, aber H0 einschränken. Der rote Balken mit der Bezeichnung SN P (kurz für "Type-Ia Supernovae Pantheon") ist eine wichtige Einschränkung für den Massenanteil des Universums.
Sie können sehen, dass sich die Kanten von WMAP und CV SN überlappen, meist außerhalb des roten Balkens. Das war das Bild der Diskrepanz vor einigen Jahren, sagte Mack: Bedeutend genug, um sich Sorgen zu machen, dass die beiden Messungen unterschiedliche Antworten ergaben, aber nicht so bedeutend, dass sie mit ein wenig Optimierung unvereinbar wurden.
In den letzten Jahren gab es jedoch eine neue Messung des CMB von einer Gruppe namens Planck Collaboration. Die Planck Collaboration, die 2018 ihren neuesten Datensatz veröffentlichte, hat den Massenanteil und die Expansionsrate des Universums sehr streng eingeschränkt, was durch das schwarze Band auf dem mit Planck bezeichneten Plot gekennzeichnet ist.
Nun, so schrieben die Autoren, tauchen zwei völlig unterschiedliche Bilder des Universums auf. Planck und WMAP sind - zusammen mit einer Reihe anderer Ansätze zur Einschränkung von H0 und Ωm - mehr oder weniger kompatibel. Es gibt eine Stelle auf der Handlung im Kreis der weißen Striche, an der alle ähnliche Antworten darauf geben, wie schnell sich das Universum ausdehnt und wie viel davon aus Materie besteht. Sie können sehen, dass fast alle Formen auf dem Plot durch diesen Kreis verlaufen.
Die direkteste Messung, die darauf basiert, tatsächlich zu untersuchen, wie weit die Dinge in unserem lokalen Universum entfernt sind und wie schnell sie sich bewegen, stimmt jedoch nicht überein. Die Cepheid-Messung befindet sich weit draußen auf der rechten Seite, und nicht einmal die Fehlerbalken (die schwachen gelben Bits, die den Bereich der wahrscheinlichen Werte angeben) verlaufen durch den gestrichelten Kreis. Und das ist ein Problem.
"In den letzten Monaten gab es in diesem Bereich viele Aktivitäten", sagte Risa Wechsler, eine Kosmologin an der Stanford University, die an diesem Artikel nicht beteiligt war. "Es ist also wirklich schön, alles zusammengefasst zu sehen. Die Festlegung in Bezug auf H0 und Ωm, die grundlegende Parameter sind, ist wirklich klar."
Trotzdem, so Wechsler gegenüber Live Science, sei es wichtig, keine Schlussfolgerungen zu ziehen.
"Die Leute sind begeistert davon, weil es bedeuten könnte, dass es neue Physik gibt, und das wäre wirklich aufregend", sagte sie.
Es ist möglich, dass das CMB-Modell in irgendeiner Weise falsch ist, und dies führt zu einer Art systematischem Fehler beim Verständnis der Physiker für das Universum.
"Das würde jeder lieben. Physiker lieben es, ihre Modelle zu brechen", sagte Wechsler. "Aber dieses Modell funktioniert bisher ziemlich gut. Mein Prior ist also, dass es ziemlich starke Beweise geben muss, um mich zu überzeugen."
Die Studie zeigt, dass es schwierig sein würde, die Cepheid-Messung aus dem lokalen Universum mit allen anderen zu vergleichen, indem nur ein neues Stück Physik eingeführt wird, sagte Mack.
Es ist möglich, sagte Mack, dass die Supernovas-Cepheid-Berechnung einfach falsch ist. Vielleicht messen Physiker Entfernungen in unserem lokalen Universum falsch, und das führt zu einer Fehleinschätzung. Es ist jedoch schwer vorstellbar, wie diese Fehleinschätzung aussehen würde, sagte sie. Viele Astrophysiker haben lokale Entfernungen von Grund auf gemessen und ähnliche Ergebnisse erzielt. Eine Möglichkeit, die die Autoren angesprochen haben, besteht darin, dass wir in einem seltsamen Teil des Universums leben, in dem es weniger Galaxien und weniger Schwerkraft gibt, sodass sich unsere Nachbarschaft schneller ausdehnt als das Universum insgesamt.
Die Antwort auf das Problem, sagte sie, könnte gleich um die Ecke sein. Aber wahrscheinlicher ist es Jahre oder Jahrzehnte entfernt.
"Es ist entweder etwas Neues im Universum oder etwas, das wir über unsere Messungen nicht verstehen", sagte sie.
Wechsler sagte, sie würde auf Letzteres wetten - dass die Fehlerbalken um einige der beteiligten Messungen wahrscheinlich nicht ganz richtig sind und dass das Bild besser zusammenpasst, wenn diese gelöst sind.
Kommende Messungen könnten den Widerspruch verdeutlichen - entweder weg erklären oder verstärken, was darauf hindeutet, dass ein neues Gebiet der Physik notwendig ist. Das Large Synoptic Survey Telescope, das 2020 online gehen soll, sollte Hunderte Millionen Supernovae finden, was die Datensätze, mit denen Astrophysiker Entfernungen zwischen Galaxien messen, erheblich verbessern dürfte. Schließlich, so Mack, werden Gravitationswellenstudien gut genug sein, um auch die Expansion des Universums einzuschränken, was der Kosmologie ein weiteres Maß an Präzision verleihen sollte. Auf der anderen Seite könnten Physiker sogar Instrumente entwickeln, die empfindlich genug sind, um zu beobachten, wie sich Objekte in Echtzeit voneinander ausdehnen.
Aber im Moment warten Kosmologen immer noch und fragen sich, warum ihre Messungen des Universums zusammen keinen Sinn ergeben.
