I 1998, forskere snublet over en overraskende kosmisk sannhet. Ikke bare utvides universet, innså de, men det ser også ut til å være det akselererende som årene går, fremskyndet av en kraft vi ikke kan se.
Den mystiske innflytelsen ville snart bli kjent som mørk energi, en av de største gåtene i fysikk.
Det ville utfylle det like, om ikke mer, forvirrende aspektet av universet vårt kalt mørk materie, et teppe-konsept forskere først bevist i 1933 for å beskrive det som utgjør de skjulte, glorie-lignende barrierene som hindrer galakser i å falle fra hverandre. (Enda en kraft vi ikke kan fatte med menneskelige øyne.)
Men selv om vi ikke er i stand til å forstå den unnvikende naturen til mørk materie og mørk energi med syn kan vi måle det med matematikk. Og på onsdag, i en serie artikler i Astrophysical Journalastrofysikere klarte å plassere mest presise grensene ennå om sammensetningen og utviklingen av universet vårt — mørkt univers inkludert.
Med en kraftig analytisk mekanisme kalt Pantheon+ fant teamet at kosmos var sammensatt av omtrent to tredjedeler mørk energi og en tredjedel materie, for det meste i form av mørk materie. Mer spesifikt mistenker de at 66,2 % av universet manifesterer seg som mørk energi, mens de resterende 33,8 % tilhører både mørk og synlig materie.
Enda mer spennende enn resultatet av Pantheon+ kan være den tankevekkende måten den fungerer på. Kort sagt, teamet utnyttet en rekke kraftige, kosmiske lommelykter for å se tilbake i tid og dokumentere universets innhold slik det var for mer enn 10 milliarder år siden.
Med “lommelykter” mener jeg Type 1a supernovaer.
Disse stjerneeksplosjonene er så lyse at de overstråler hele galakser og sees derfor fra avstander milliarder av lysår unna Jorden. De er akkurat som lommelykter, men i stedet for å lyse opp en lang gang, lyser de opp den uendelige tunnelen av rom og tid. Faktisk er de avgjørende for oppdagelsen av det mørke universet, og hjelper til med å avdekke mørk materies eksistens i 1933 og mørk energi i 1998.
Pantheon+ tok ting til neste nivå. Forskere bak analysen fokuserte på mer enn 1500 supernovaer som, når de settes sammen, til sammen lyser opp omtrent tre fjerdedeler av det kjente universet. Huff, faktisk.
En tidslinje for universet.
NASA
“Med dette kombinerte Pantheon+-datasettet får vi et presist syn på universet fra det tidspunktet da det ble dominert av mørk materie til da universet ble dominert av mørk energi,” Dillon Brout, en astronom ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, sa i en uttalelse.
“Dette datasettet er en unik mulighet til å se mørk energi slå på og drive utviklingen av kosmos på de største skalaene opp gjennom nåtiden,” sa Brout.
Dette kan avgjøre noen få vitenskapelige debatter
Nedover veien er Pantheon+-arven klar til å transcendere det mørke universet.
Som en ekstra bonus bekreftet det analytiske verktøyet også at kosmos virkelig ekspanderer i et akselererende tempo, og den ga ekstremt lovende bevis til støtte for en hjørnestein i vitenskapelig tenkning: Standardmodellen for partikkelfysikk.
Dette rammeverket skisserer ganske mye hvordan hver eneste kjente partikkel oppfører seg uavhengig, så vel som med hverandre, og fungerer til og med som grunnlaget for mange ledende teorier om hva det mørke universet egentlig handler om.
Et bilde av partiklene i standardmodellen.
Fermilab
“Vi er i stand til å sette de mest presise begrensningene på dynamikken og historien til universet til dags dato,” sa Brout. “Vi har finkjemmet dataene og kan nå si med mer selvtillit enn noen gang før hvordan universet har utviklet seg over eonene og at de nåværende beste teoriene for mørk energi og mørk materie holder seg sterke.”
Med andre ord, Pantheon+ kan fortelle oss at vi burde pakke opp noen alternative teorier om mørk materie og mørk energi ikke relatert til standardmodellen. Disse teoriene kan være, vel, feil.
Videre må vi også snakke om min personlige favorittkonsekvens av Pantheon+ datasett. Endelig kan det bidra til å sette en langvarig, ganske opphetet debatt blant fysikere til hvile.
Vi kan endelig være på vei til å dekode det som er kjent som Hubble-konstanten. På en måte.
I utgangspunktet vet vi at universet ekspanderer eksponentielt. Vi kan bokstavelig talt se det skje i sanntid. Men forskere kan ikke bli enige om den nøyaktige hastigheten som utvidelsen skjer med. Nøkkelen til løsningen er Hubble-konstanten, men forskjellige måter å beregne den konstanten på ser ut til å gi forskjellige svar.
Buene og stripene i galaksehopen Abell 370 avslører “gravitasjonslinser”, forvrengningen av lys fra fjerntliggende bakgrunnsgalakser av klyngens gravitasjonsfelt. Linseeffekten hjelper astronomer med å måle fordelingen av mørk materie i galaksehoper.
NASA, ESA og Hubble SM4 ERO Team
Selv om etter å ha samlet Pantheon+-prøven med data fra et annet vitenskapelig samarbeid, heter det i en pressemelding fra Harvard at vi nå kan ha den strengeste lokale målingen av den nåværende ekspansjonshastigheten til universet. (Søkeordet her er “lokalt.” Det kommer inn senere.)
I et nøtteskall fant samarbeidet at Hubble-konstanten var 73,4 kilometer (45,6 miles) per sekund per megaparsec (km/s/Mpc) med en fantastisk 1,3 % usikkerhet.
“Angitt på en annen måte, for hver megaparsek, eller 3,26 millioner lysår, anslår analysen at i det nærliggende universet, utvider selve rommet seg med mer enn 160 000 miles per time,” forklarer utgivelsen. Dette tallet, for kontekst, er midt i 2001 landemerkemåling på 72 km/s/Mpc og senere rapporter om 74 km/s/Mpc.
Det er imidlertid ganske langt fra en annen ledende måling som antyder en konstant på 69,8 km/s/Mpc.
OK, ja, det er fortsatt et avvik. Og igjen, Pantheon+s konstant er basert på “lokale” målinger.
Som sådan understreker Pantheon+-teamet at “observasjoner fra en helt annen epoke av universets historie forutsier en annen historie.” Dermed, på en måte, å ha en ny kontrasterende Hubble konstant makt ikke være å løse Hubble-spenningen, men heller øke den allerede fylte debatten? Som jeg sa, det er komplisert.
En simulering av mørk materiefilamenter over hele universet.
Zarija Lukic/Lawrence Berkeley National Laboratory
“Vi trodde det ville være mulig å finne ledetråder til en ny løsning på disse problemene i datasettet vårt, men i stedet finner vi ut at dataene våre utelukker mange av disse alternativene og at de dype avvikene forblir like sta som alltid,” sa Brout .
Men på slutten av dagen, fordi Pantheon+ sine resultater er så uberørte, kan de kanskje i det minste belyse hvor stridspunktet ligger i Hubbles konstante debatt.
“Mange nyere teorier har begynt å peke på eksotisk ny fysikk i det veldig tidlige universet,” sa Brout. “Slike ubekreftede teorier må imidlertid tåle den vitenskapelige prosessen, og Hubble-spenningen fortsetter å være en stor utfordring.”
Fysikken er fylt til randen med komplekse gåter og gåter og, ærlig talt, direkte veisperringer. Men jeg liker å se for meg disse hindringene som motivasjon for å holde feltet i gang og tankene snu. Det er grunnen til at Pantheon+’s ble nyskapt i utgangspunktet.
Og med denne mekanismen har vi absolutt kommet videre i å dissekere sannheten om den mørke siden av universet vårt – i det minste. Eller som Brout sier det, “Pantheon+ gir oss vår beste sjanse til dags dato for å begrense mørk energi, dens opprinnelse og dens utvikling.”