Die Expansionsrate des Universums ist umstritten - und wir brauchen vielleicht neue Physik, um es zu lösen

Why is our universe fine-tuned for life? | Brian Greene (Juli 2019).

Anonim

Das nächste Mal, wenn Sie einen Blaubeermuffins (oder Schokoladenstückchen) essen, überlegen Sie, was mit den Blaubeeren im Teig passiert ist, als er gebacken wurde. Die Blaubeeren begannen alle zusammen zu zerquetschen, aber als sich der Muffin ausbreitete, begannen sie sich voneinander zu entfernen. Wenn du auf einer Blaubeere sitzen könntest, würdest du alle anderen sehen, die sich von dir entfernen, aber das gleiche würde für jede Blaubeere gelten, die du wählst. In diesem Sinne sind Galaxien wie Blaubeeren.

Seit dem Urknall hat sich das Universum erweitert. Die seltsame Tatsache ist, dass es keinen einzigen Ort gibt, von dem aus sich das Universum ausdehnt, sondern alle Galaxien sich (im Durchschnitt) von allen anderen entfernen. Aus unserer Sicht in der Milchstraße scheint es so, als würden sich die meisten Galaxien von uns entfernen - als ob wir das Zentrum unseres muffinartigen Universums wären. Aber es würde genauso aussehen wie in jeder anderen Galaxie - alles bewegt sich weg von allem anderen.

Um die Dinge noch verwirrender zu machen, legen neue Beobachtungen nahe, dass die Geschwindigkeit dieser Expansion im Universum unterschiedlich sein kann, je nachdem, wie weit Sie in der Zeit zurückblicken. Diese neuen Daten, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass es Zeit sein könnte, unser Verständnis des Kosmos zu überarbeiten.

Hubbles Herausforderung

Kosmologen charakterisieren die Expansion des Universums in einem einfachen Gesetz, das als Hubble-Gesetz bekannt ist (benannt nach Edwin Hubble - obwohl tatsächlich viele andere Menschen Hubbles Entdeckung vorenthielten). Das Hubble-Gesetz ist die Beobachtung, dass entferntere Galaxien sich schneller entfernen. Dies bedeutet, dass sich benachbarte Galaxien im Vergleich relativ langsam entfernen.

Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Entfernung einer Galaxie wird von "Hubble's Constant" festgelegt, die ungefähr 44 Meilen (70km) pro Sekunde pro Mega Parsec (eine Längeneinheit in der Astronomie) beträgt. Was das bedeutet ist, dass eine Galaxie ungefähr 50.000 Meilen pro Stunde für jede Million Lichtjahre, die sie von uns entfernt ist, gewinnt. In der Zeit, die man braucht, um diesen Satz zu lesen, entfernt sich eine Galaxie in einer Entfernung von einer Million Lichtjahren um weitere 100 Meilen.

Diese Expansion des Universums, bei der sich benachbarte Galaxien langsamer entfernen als entfernte Galaxien, erwartet man für einen sich gleichmäßig ausdehnenden Kosmos mit dunkler Energie (eine unsichtbare Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt) und dunkler Materie (eine unbekannte und unsichtbare Form) von Materie, die fünfmal häufiger ist als normale Materie). Dies würde man auch bei Blaubeeren in einem expandierenden Muffin beobachten.

Die Geschichte der Messung von Hubbles Konstante war mit Schwierigkeiten und unerwarteten Offenbarungen verbunden. Im Jahr 1929 dachte Hubble selbst, dass der Wert ungefähr 342.000 Meilen pro Stunde pro Million Lichtjahre betragen müsste - ungefähr zehnmal größer als das, was wir jetzt messen. Präzisionsmessungen der Hubble-Konstante im Laufe der Jahre führten tatsächlich zur unbeabsichtigten Entdeckung dunkler Energie. Die Suche nach mehr über diese mysteriöse Energieform, die 70% der Energie des Universums ausmacht, hat den Start des (derzeit) besten Weltraumteleskops der Welt inspiriert, das nach Hubble benannt wurde.

Kosmischer Showstopper

Nun scheint diese Schwierigkeit durch zwei hochgenaue Messungen, die nicht übereinstimmen, weiterzugehen. So wie die kosmologischen Messungen so genau geworden sind, dass der Wert der Hubble-Konstante ein für allemal bekannt sein sollte, hat man stattdessen gefunden, dass die Dinge keinen Sinn ergeben. Statt eines haben wir jetzt zwei Showstopp-Ergebnisse.

Auf der einen Seite haben wir die neuen sehr genauen Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds - das Nachleuchten des Urknalls - von der Planck-Mission, die die Hubble-Konstante auf 46.200 Meilen pro Stunde pro Million Lichtjahre (oder unter Verwendung von Kosmologen) gemessen hat Einheiten 67, 4 km / s / Mpc).

Auf der anderen Seite haben wir neue Messungen von pulsierenden Sternen in lokalen Galaxien, ebenfalls extrem präzise, ​​die die Hubble-Konstante als 50.400 Meilen pro Stunde pro Million Lichtjahre gemessen haben (oder Kosmologeneinheiten 73.4 km / s / Mpc verwenden). Diese sind uns zeitlich näher.

Beide Messungen behaupten, dass ihr Ergebnis korrekt und sehr genau ist. Die Unsicherheiten der Messungen betragen nur etwa 300 Meilen pro Stunde pro Million Lichtjahre, so dass es wirklich einen signifikanten Bewegungsunterschied gibt. Kosmologen bezeichnen diese Meinungsverschiedenheit als "Spannung" zwischen den beiden Messungen - sie ziehen beide statistisch Ergebnisse in verschiedene Richtungen, und etwas muss einrasten.

Neue Physik?

Also, was wird schnappen? Im Moment ist die Jury aus. Es könnte sein, dass unser kosmologisches Modell falsch ist. Was gesehen wird, ist, dass das Universum in der Nähe schneller expandiert, als wir aufgrund entfernterer Messungen erwarten würden. Die Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds messen die lokale Ausdehnung nicht direkt, sondern leiten diese über ein Modell - unser kosmologisches Modell - ab. Dies war außerordentlich erfolgreich bei der Vorhersage und Beschreibung vieler Beobachtungsdaten im Universum.

Also, während dieses Modell falsch sein könnte, hat niemand ein einfaches überzeugendes Modell gefunden, das dies erklären und gleichzeitig alles andere erklären kann, was wir beobachten. Zum Beispiel könnten wir versuchen, dies mit einer neuen Gravitationstheorie zu erklären, aber andere Beobachtungen passen nicht. Oder wir könnten versuchen, es mit einer neuen Theorie der Dunklen Materie oder Dunklen Energie zu erklären, aber dann passen weitere Beobachtungen nicht - und so weiter. Wenn also die Spannung auf neue Physik zurückzuführen ist, muss sie komplex und unbekannt sein.

Eine weniger aufregende Erklärung könnte sein, dass es in den Daten "unbekannte Unbekannte" gibt, die durch systematische Effekte verursacht werden, und dass eine genauere Analyse eines Tages einen subtilen Effekt ergeben könnte, der übersehen wurde. Oder es könnte einfach ein statistischer Zufall sein, der verschwindet, wenn mehr Daten gesammelt werden.

Es ist zur Zeit nicht klar, welche Kombination von neuer Physik, systematischen Effekten oder neuen Daten diese Spannung auflösen wird, sondern etwas zu geben hat. Das expandierende Muffinbild des Universums mag nicht mehr funktionieren, und die Kosmologen sind im Rennen um einen "großen kosmischen Bake-Off", um dieses Ergebnis zu erklären. Wenn neue Physik benötigt wird, um diese neuen Messungen zu erklären, wird das Ergebnis eine stoppende Veränderung unseres Bildes vom Kosmos sein.

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