Nach dem Urknall war das Universum nahezu gleichförmig und voller Materie, Energie und Strahlung in einem sich schnell ausdehnenden Zustand. Im Laufe der Zeit bildet das Universum nicht nur Elemente, Atome und Klumpen und Cluster, was zu Sternen und Galaxien führt, sondern es dehnt sich die ganze Zeit aus und kühlt sich ab. Keine Alternative kann mithalten. (NASA / GSFC)

So lösen Astronomen die Kontroverse um das expandierende Universum

Wenn zwei unterschiedliche Techniken zwei unterschiedliche Ergebnisse liefern, ist entweder jemand falsch oder es passiert etwas Unglaubliches.

Stellen Sie sich vor, Sie wären ein Wissenschaftler, der versucht, eine Eigenschaft des Universums zu messen. Wenn Sie neugierig sind, wie etwas funktioniert, müssen Sie einen Weg finden, um nicht nur zu schließen, was passiert, sondern in welcher Menge. Dies ist eine schwierige Aufgabe; Sie möchten nicht nur die qualitative Antwort auf die Frage, was passiert, sondern auch den quantitativen Teil, um die Frage zu beantworten, wie viel?

In der Kosmologie besteht eine der großen Herausforderungen darin, die Ausdehnung des Universums zu messen. Wir wissen seit den 1920er Jahren, dass sich das Universum ausdehnt, obwohl es eine Aufgabe der Generationen war, „um wie viel?“ Zu bestimmen. Es gibt heutzutage eine Reihe unterschiedlicher Gruppen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken anwenden, um genau das zu messen. Die Antworten, die sie durchgehend erhalten, fallen in eine von zwei Kategorien, sind jedoch nicht miteinander kompatibel. So wollen wir dieses Rätsel lösen.

Die Geschichte des expandierenden Universums, einschließlich dessen, woraus es derzeit besteht. (ESA UND DIE PLANCK-ZUSAMMENARBEIT (MAIN), MIT ÄNDERUNGEN VON E. SIEGEL; NASA / WIKIMEDIA COMMONS USER ER (INSET))

Seit Generationen versuchen Astronomen, Astrophysiker und Kosmologen, unsere Messungen der Expansionsrate des Universums zu verfeinern: der Hubble-Konstante. Aus diesem Grund haben wir das Hubble-Weltraumteleskop entworfen und gebaut. Das Hauptprojekt bestand darin, diese Messung durchzuführen, und war äußerst erfolgreich. Die Geschwindigkeit betrug 72 km / s / Mpc, mit nur 10% Unsicherheit. Dieses 2001 veröffentlichte Ergebnis löste eine Kontroverse, die so alt war wie Hubbles Gesetz.

Aber im Jahr 2019 ist ein neuer entstanden. Ein Lager, in dem Relikte aus den frühesten Stadien des Urknalls verwendet werden, erreicht weiterhin Werte von ~ 67 km / s / Mpc mit einer behaupteten Unsicherheit von nur 1–2%. Das andere Lager, das Messungen aus dem relativ nahen Universum verwendet, behauptet ~ 73 km / s / Mpc mit Unsicherheiten von nur 2–3%. Diese Fehler sind so klein, dass sie sich nicht mehr überlappen. Etwas stimmt nicht, und wir können nicht herausfinden, wo.

Moderne Messspannungen von der Distanzleiter (rot) mit frühen Signaldaten von CMB und BAO (blau) als Kontrast. Es ist plausibel, dass die frühe Signalmethode korrekt ist und ein grundlegender Fehler in der Abstandsleiter vorliegt. Es ist plausibel, dass ein kleiner Fehler vorliegt, der die frühe Signalmethode verzerrt und die Entfernungsleiter korrekt ist, oder dass beide Gruppen richtig liegen und eine Form der neuen Physik (siehe oben) der Schuldige ist. Aber im Moment können wir nicht sicher sein. (ADAM RIESS (PRIVATE COMMUNICATION))

Das Universum war früher kleiner, heißer und dichter. Licht von jedem Ort im Weltall muss durch das expandierende Universum wandern, um zu unseren Augen zu gelangen. Im Idealfall können wir das empfangene Licht messen, eine Entfernung für das gemessene Signal bestimmen und daraus schließen, wie sich das Universum über seine Geschichte ausgedehnt hat, um das Signal zu erhalten, das wir tatsächlich erfassen.

Die beiden Klassen von Methoden, die wir verwenden, führen jedoch zu inkompatiblen Ergebnissen. Es gibt drei Möglichkeiten:

  1. Die Gruppe der "frühen Relikte" irrt. Ihre Herangehensweise an dieses Problem weist einen fundamentalen Fehler auf und führt zu unrealistisch niedrigen Werten.
  2. Die Gruppe "Entfernungsleiter" ist falsch. Es gibt eine Art systematischen Fehler in ihrem Ansatz, der ihre Ergebnisse auf falsche, hohe Werte ausrichtet.
  3. Beide Gruppen sind korrekt, und es gibt eine Art neue Physik, die dafür verantwortlich ist, dass die beiden Gruppen unterschiedliche Ergebnisse erzielen.
Standardkerzen (L) und Standardlineale (R) sind zwei verschiedene Techniken, mit denen Astronomen in der Vergangenheit die Ausdehnung des Raums zu verschiedenen Zeiten / Entfernungen messen. Basierend darauf, wie sich Größen wie Leuchtkraft oder Winkelgröße mit der Entfernung ändern, können wir auf die Expansionsgeschichte des Universums schließen. Die Verwendung der Kerzenmethode ist Teil der Entfernungsleiter und ergibt 73 km / s / Mpc. Die Verwendung des Lineals ist Teil der frühen Signalmethode und liefert 67 km / s / Mpc. (NASA / JPL-CALTECH)

Natürlich glaubt jeder, dass er Recht hat und die anderen Teams liegen falsch. Die Art und Weise, wie die Wissenschaft funktioniert, beruht jedoch nicht auf Spott, sondern darauf, die schlüssigen Beweise zu finden, die notwendig sind, um die Waage zu kippen. Hier erfahren Sie, wie Astronomen die größte Kontroverse in der Kosmologie lösen und wie sich das Universum tatsächlich ausdehnt.

1.) Ist die frühe Reliquiengruppe falsch? Bevor wir den Planck-Satelliten hatten, hatten wir COBE und WMAP. Während Planck uns eine Karte des Urknalls zur Verfügung gestellt hat, die bis zu einem Winkel von nur 0,07 ° leuchtet, konnte COBE nur bis zu etwa 7 ° und WMAP, obwohl viel besser, nur bis zu etwa 0,5 ° anzeigen. Es gab eine Entartung zwischen drei getrennten Parametern in den Daten: der Materiedichte, der Expansionsrate und dem skalaren Spektralindex. In der WMAP-Ära bevorzugten die Daten tatsächlich ~ 71 km / s / Mpc, obwohl sie mit großen Unsicherheiten behaftet waren.

Vor Planck ergab die beste Übereinstimmung mit den Daten einen Hubble-Parameter von ungefähr 71 km / s / Mpc, aber ein Wert von ungefähr 69 oder höher wäre jetzt sowohl für die Dunkle-Materie-Dichte (x-Achse), die wir haben, zu groß gesehen mit anderen Mitteln und dem skalaren Spektralindex (rechte Seite der y-Achse), den wir benötigen, damit die großräumige Struktur des Universums Sinn ergibt. (P.A.R. ADE ET AL. UND DIE PLANCK-ZUSAMMENARBEIT (2015))

Erst als Planck uns zu diesen kleineren Winkelskalen führte, wurde die Entartung gebrochen und wir stellten fest, dass die Expansionsrate niedrig sein musste. Der Grund dafür ist, dass diese winzigen Winkelskalen Informationen über den skalaren Spektralindex (n_s im folgenden Diagramm) codieren, die die großen Werte der Expansionsrate (und entsprechend die kleinen Werte für die Materiedichte) ausschließen und lehren Wir sind der Meinung, dass die Expansionsrate näher an 67 km / s / Mpc liegen muss, mit einer sehr geringen Unsicherheit.

Es ist jedoch möglich, dass etwas an unserer Analyse der kleinen Winkelmaßstäbe falsch oder verzerrt ist. Es müsste nicht nur Planck, sondern auch andere unabhängige CMB-Experimente betreffen. Selbst wenn Sie die CMB vollständig meiden, erhalten Sie dennoch ein Ergebnis, das zeigt, dass eine frühe Reliktmethode eine viel geringere Expansionsrate ergibt als die Entfernungsleiter angibt.

Obwohl wir dies nicht für wahrscheinlich halten - und die unabhängige frühe Relikttechnik der baryonalen akustischen Oszillationen (oder „inverse Distanzleiter“) auch konsistente Ergebnisse liefert - ist es wichtig zu bedenken, dass ein kleiner Fehler, den wir nicht richtig berücksichtigt haben Dies könnte unsere Schlussfolgerungen dramatisch verändern.

Korrelationen zwischen bestimmten Aspekten der Größe von Temperaturschwankungen (y-Achse) als Funktion der abnehmenden Winkelskala (x-Achse) zeigen ein Universum, das mit einem skalaren Spektralindex von 0,96 oder 0,97 konsistent ist, jedoch nicht mit 0,99 oder 1,00. (P. A. R. ADE ET AL. UND DIE PLANCK-ZUSAMMENARBEIT)

2.) Ist die Distanzleitergruppe falsch? Dies ist eine schwierige Frage. Es gibt viele verschiedene Techniken, um die Abstände zu Objekten im expandierenden Universum zu messen, aber alle haben einige Gemeinsamkeiten:

  • Sie beginnen damit, direkt (z. B. geometrisch) die Abstände zu bekannten, leicht sichtbaren Objekten in unserer eigenen Galaxie zu messen.
  • wir sehen dann die gleichen Arten von Objekten in anderen Galaxien, so dass wir auf der Grundlage der bekannten Eigenschaften dieser Objekte auf die Entfernung zu diesen Galaxien schließen können,
  • und einige dieser Galaxien enthalten auch hellere astronomische Phänomene, die es uns ermöglichen, diese als Kalibrierungspunkt für die Untersuchung noch weiter entfernterer Galaxien zu verwenden.

Obwohl es historisch gesehen mehr als ein Dutzend verschiedene Entfernungsindikatoren gibt, umfasst der schnellste und einfachste Weg, große kosmische Entfernungen zu erreichen, nur noch drei Schritte: Parallaxe zu variablen Sternen, die als Cepheiden in unserer eigenen Galaxie bekannt sind; einzelne Cepheiden in anderen Galaxien, von denen einige auch Supernova vom Typ Ia beherbergen; und geben Sie dann Ia Supernovae im gesamten Universum ein.

Der Aufbau der kosmischen Entfernungsleiter beinhaltet den Übergang von unserem Sonnensystem zu den Sternen zu nahe gelegenen Galaxien zu fernen. Jeder

Mit dieser Methode erhalten wir eine Expansionsrate von 73 km / s / Mpc mit einer Unsicherheit von ca. 2–3%. Dies steht eindeutig im Widerspruch zu den Ergebnissen der frühen Reliquiengruppe. Verständlicherweise sind viele besorgt über eine Reihe möglicher Fehlerquellen, und die Teams, die auf der Entfernungsleiter arbeiten, sind im Vergleich zu den Teams, die an der Methode der frühen Relikte arbeiten, sehr klein.

Dennoch gibt es viele Gründe, warum die Distanzleiterteams von ihren Ergebnissen überzeugt sind. Ihre Fehler sind so gut quantifiziert, wie man es sich erhoffen könnte, es gibt neben der Parallaxe auch unabhängige Gegenkontrollen der Cepheid-Kalibrierung, und die einzige potenzielle Falle ist ein „unbekanntes Unbekanntes“, das realistisch gesehen jedes Teilgebiet der Astronomie in Frage stellen könnte Zeit. Trotzdem gibt es Pläne, es noch besser zu machen. Auf diese Weise können Astronomen auf vielfältige Weise prüfen, ob die kosmische Entfernungsleiter wirklich eine zuverlässige Messung der Expansionsrate des Universums liefert.

Vier verschiedene Kosmologien führen zu den gleichen Schwankungen im CMB, aber die unabhängige Messung eines einzelnen Parameters (wie H_0) kann diese Entartung aufheben. Kosmologen, die an der Entfernungsleiter arbeiten, hoffen, ein ähnliches Pipeline-ähnliches Schema zu entwickeln, um zu sehen, wie ihre Kosmologien von den eingeschlossenen oder ausgeschlossenen Daten abhängen (MELCHIORRI, A. & GRIFFITHS, L.M., 2001, NEWAR, 45, 321).

Können wir eine Pipeline für Entfernungsleitereingaben entwickeln, wie wir sie für frühe Reliquieneingaben haben? Derzeit gibt es zahlreiche Programme, die entweder eine Reihe von kosmologischen Parametern verwenden und Ihnen den erwarteten kosmischen Mikrowellenhintergrund liefern, oder die beobachteten kosmischen Mikrowellenhintergrund verwenden und Ihnen die kosmologischen Parameter liefern, die diese Messungen implizieren.

Sie können sehen, wie sich Parameter wie die Materiedichte, die Zustandsgleichung der Dunklen Energie oder die Expansionsrate mit ihren Fehlerbalken ändern, wenn sich Ihre Daten ändern.

Die Distanzleiterteams versuchen, eine ähnliche Pipeline zu entwickeln. man existiert noch nicht. Wenn es vollständig ist, sollten wir in der Lage sein, ihre Systematik noch genauer zu lesen, aber auf eine Weise, die unserer heutigen überlegen ist. Wir werden sehen können, wann verschiedene Datenpunkte / -sätze eingeschlossen oder ausgeschlossen werden, wie empfindlich sowohl der Mittelwert als auch die Unsicherheiten im Wert der Expansionsrate dafür sind. (Obwohl im Jahr 2016 über 100 Modelle in der Supernova-Analyse berücksichtigt wurden und die Unterschiede zwischen den Modellen nicht in allen Formen berücksichtigt wurden.)

Zwei verschiedene Arten, eine Supernova vom Typ Ia herzustellen: das Akkretionsszenario (L) und das Fusionsszenario (R). Es ist noch nicht bekannt, welcher dieser beiden Mechanismen bei der Erzeugung von Typ-Ia-Supernova-Ereignissen häufiger vorkommt oder ob diese Explosionen eine unentdeckte Komponente aufweisen. Indem wir Regionen untersuchen, in denen es keine akkretierenden Binärdateien gibt, können wir einen potenziellen systematischen Fehler in der Entfernungsleiter beseitigen. (NASA / CXC / M. WEISS)

Eine mögliche Fehlerquelle könnte sein, dass es zwei Klassen von Supernova vom Typ Ia gibt: das Ansammeln von weißen Zwergen und das Zusammenführen von weißen Zwergen. Es gibt überall alte Sterne, was bedeutet, dass wir überall weiße Zwerge zusammenführen sehen sollten. Aber nur in Regionen, in denen sich neue Sterne bilden oder in letzter Zeit gebildet haben (sogenannte HII-Regionen), können sich weiße Zwerge ansiedeln. Interessanterweise gibt es Cepheid-Sterne, die ebenfalls Teil der Entfernungsleiter sind, nur in Regionen, in denen sich ebenfalls neue Sterne gebildet haben.

Wir können nicht entwirren, welche Klasse von Supernova wir in Cepheid-reichen Regionen sehen. Aber wenn wir an einem Ort suchen, an dem es keine jungen Sterne gibt, können wir sicher sein, dass wir Supernovae von der Verschmelzung weißer Zwerge sehen. Es gibt gute Gründe zu der Annahme, dass diese Systematik im Vergleich zur allgemeinen Diskrepanz gering ist, aber nicht jeder ist davon überzeugt. Durch die Verwendung eines anderen Indikators für den mittleren Abstand, z. B. sich entwickelnde Sterne an der Spitze des asymptotischen Riesenastes im äußeren Lichthof von Galaxien, wird dieser potenzielle systematische Fehler beseitigt. Gegenwärtig gibt es ungefähr ein Dutzend Messungen von verschiedenen Entfernungsleiterteams, die eine gute Übereinstimmung mit Cepheids zeigen, aber es sind noch weitere Arbeiten erforderlich.

Ein doppelt linsenförmiger Quasar wie der hier gezeigte wird durch eine Gravitationslinse verursacht. Wenn die Zeitverzögerung der mehreren Bilder verstanden werden kann, kann es möglich sein, eine Expansionsrate für das Universum in der Entfernung des betreffenden Quasars zu rekonstruieren. (NASA-HUBBLE-SPACE-TELESKOP, TOMMASO TREU / UCLA UND BIRRER ET AL.)

Schließlich gibt es noch die ultimative Überprüfung der Vernunft: Verwenden einer völlig unabhängigen Methode, die überhaupt keine Abstandsleiter hat, um die Expansionsrate zu messen. Wenn Sie einen Entfernungsindikator an verschiedenen Orten im gesamten Universum messen könnten, sowohl in der Nähe als auch in der Ferne, würden Sie ein Signal erwarten, das das Problem ein für alle Mal lösen könnte. Jede neue Methode wird jedoch durch geringe Statistiken und noch zu bestimmende systematische Fehler behindert.

Es gibt jedoch zwei Möglichkeiten, wie Wissenschaftler dies derzeit versuchen. Der erste Weg führt über Standardsirenen, bei denen Sie inspirierende und verschmelzende Neutronensterne erhalten, obwohl diese im kosmischen Maßstab bevorzugt in der Nähe sind. (Eines haben wir definitiv gesehen, aber LIGO / Virgo erwartet in den kommenden Jahrzehnten noch viel mehr.) Das andere ist die Zeitverzögerungsmessung von mehrfach abgebildeten Signalen von Gravitationslinsen. Die ersten derartigen Datensätze kommen jetzt von hier, wobei vier bekannte Objektive die Übereinstimmung mit dem Entfernungsleiterteam zeigen, aber es ist noch ein weiter Weg.

Eine Region ohne Materie in unserer Galaxie offenbart das Universum dahinter, wo jeder Punkt eine ferne Galaxie ist. Die Cluster / Void-Struktur ist sehr deutlich zu erkennen. Wenn wir in einer Region mit geringer Dichte / Leere leben, kann dies dazu führen, dass sowohl die Entfernungsleiter als auch die Neutronenstern- / Standardsirenen-Verschmelzungsmethoden von den Ergebnissen der frühen Relikt- / CMB- / BAO-Methoden abweichen. (ESA / HERSCHEL / SPIRE / HERMES)

Wenn dies so aussieht, wie viele es sich erhoffen (und manche befürchten), bedeutet dies, dass wir auf die dritte - und problematischste - Option zurückgreifen müssen.

3.) Beide Gruppen sind korrekt. Es ist möglich, dass die Art und Weise, wie wir die Expansionsrate des Universums messen, von grundlegender Bedeutung für den Wert ist, den wir erhalten. Wenn wir kosmisch nahe Objekte messen und nach außen schauen, erhalten wir ein Ergebnis von rund 73 km / s / Mpc. Wenn wir die Expansionsrate anhand der größten kosmischen Entfernungsskalen messen, erhalten wir ein Ergebnis von 67 km / s / Mpc. Dafür gibt es eine Reihe faszinierender Erklärungen, darunter:

  • Unsere lokale Region des Universums weist im Vergleich zum Durchschnitt ungewöhnliche Eigenschaften auf (obwohl dies bereits ungünstig ist).
  • Dunkle Energie verändert sich im Laufe der Zeit auf unerwartete Weise,
  • Die Schwerkraft verhält sich anders, als wir es auf kosmischen Skalen erwartet haben.
  • oder es gibt eine neue Art von Feld oder Kraft, die das Universum durchdringt.

Bevor wir jedoch zu diesen exotischen Szenarien springen, müssen wir sicherstellen, dass keine der beiden Gruppen einen Fehler gemacht hat. Trotz der mehrfachen unabhängigen Überprüfungen könnte bereits eine geringe Verzerrung für die Gesamtheit dieser aktuellen Kontroverse verantwortlich sein. Es geht um unser Verständnis des Universums, in dem wir leben. Es kann nicht genug betont werden, wie wichtig es ist, alle erforderlichen Sorgfaltspflichten zu erfüllen und sicherzustellen, dass wir alles richtig machen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.