Beklager, astronomer: det ekspanderende universet stemmer ikke.
Galaksene vist på dette bildet ligger alle utenfor den lokale gruppen, og som sådan er alle gravitasjonsmessig ubundet fra oss. Som et resultat, når universet utvider seg, blir lyset fra dem forskjøvet mot lengre, rødere bølgelengder, og disse objektene havner lenger unna, i lysår, enn det antallet år det faktisk tar lyset å reise fra dem til våre øyne. Etter hvert som utvidelsen ubøyelig fortsetter, vil de ende opp gradvis lenger og lenger unna.
Den største anomalien er Hubble-spenningen.
To av de mest vellykkede metodene for å måle store kosmiske avstander er basert på enten deres tilsynelatende lysstyrke (venstre) eller deres tilsynelatende vinkelstørrelse (høyre), som begge er direkte observerbare. Hvis vi kan forstå de iboende fysiske egenskapene til disse objektene, kan vi bruke dem som enten standard lys (venstre) eller standard linjaler (høyre) for å bestemme hvordan universet har utvidet seg, og derfor hva det er laget av, i løpet av sin kosmiske historie. Geometrien til hvor lyst eller hvor stort et objekt ser ut er ikke triviell i det ekspanderende universet.
To målemetoder for ekspansjonshastighet gir inkompatible verdier.
De kalde flekkene (vist i blått) i CMB er ikke iboende kaldere, men representerer snarere områder der det er større gravitasjonskraft på grunn av større tetthet av materie, mens de varme flekkene (i rødt) bare er varmere fordi strålingen i den regionen lever i en grunnere gravitasjonsbrønn. Over tid vil det være mye større sannsynlighet for at de overtette områdene vokser til stjerner, galakser og klynger, mens de undertette områdene vil ha mindre sannsynlighet for å gjøre det. Bevisene for ufullkommenhetene i CMB og i universets storskalastruktur gir en måte å rekonstruere ekspansjonshastigheten på.
Den tidlige relikviemetoden, via kosmiske ufullkommenheter, gir 67 km/s/Mpc.
Selv om det er mange aspekter ved vårt kosmos som alle datasett er enige om, er ikke hastigheten universet utvider seg med en av dem. Basert på supernovadata alene kan vi konkludere med en ekspansjonshastighet på ~73 km/s/Mpc, men supernovaer undersøker ikke de første ~3 milliarder årene av vår kosmiske historie. Hvis vi inkluderer data fra den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, som i seg selv sendes ut veldig nær Big Bang, er det uforsonlige forskjeller på dette tidspunktet, men bare på <10 %-nivået!
Avstandsstigemetoden, fra individuelt målte objekter, gir 73 km/s/Mpc.
Å måle tilbake i tid og avstand (til venstre for «i dag») kan informere om hvordan universet vil utvikle seg og akselerere/bremse langt inn i fremtiden. Ved å knytte ekspansjonshastigheten til materie- og energiinnholdet i universet og måle ekspansjonshastigheten, kan vi komme opp med en verdi for en Hubble-tid i universet, men den verdien er ikke en konstant; det utvikler seg etter hvert som universet utvider seg og tiden flyter videre.
Men en annen kosmisk ufullkommenhetsanomali er på samme måte forvirrende.
Å bruke den kosmiske avstandsstigen betyr å sy sammen forskjellige kosmiske skalaer, hvor man alltid bekymrer seg for usikkerhet der de forskjellige “trinnene” på stigen henger sammen. Som vist her, er vi nå nede på så få som tre «trinn» på den stigen, og hele settet med mål stemmer overens med hverandre spektakulært.
Tenk på den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB): reststråling fra Big Bang.
I følge de opprinnelige observasjonene til Penzias og Wilson, sendte det galaktiske planet ut noen astrofysiske strålingskilder (sentrum), men over og under var det bare en nesten perfekt, ensartet bakgrunn av stråling. Temperaturen og spekteret til denne strålingen er nå målt, og samsvaret med Big Bangs spådommer er ekstraordinære. Hvis vi kunne se mikrobølgelys med øynene våre, ville hele nattehimmelen se ut som den grønne ovalen vist.
Selv om det er stort sett ensartet, er en retning ~3,3 millikelvin varmere, mens den motsatte er tilsvarende kjøligere.
Selv om den kosmiske mikrobølgebakgrunnen er den samme grove temperaturen i alle retninger, er det 1-del-i-800 avvik i én bestemt retning: i samsvar med at dette er vår bevegelse gjennom universet. Ved 1-del-i-800, den totale størrelsen på selve CMBs amplitude, tilsvarer dette en bevegelse på omtrent 1-del-i-800 lysets hastighet, eller ~368 km/s fra Solens perspektiv.
denne “CMB dipol” reflekterer vår sols relative bevegelse til CMB: på ~370 km/s.
En nøyaktig modell av hvordan planetene går i bane rundt solen, som deretter beveger seg gjennom galaksen i en annen bevegelsesretning. Avstanden til hver planet fra solen bestemmer mengden av samlet stråling og energi som den mottar, men dette er ikke den eneste faktoren som spiller inn for å bestemme en planets temperatur. I tillegg beveger solen seg gjennom Melkeveien, som beveger seg gjennom den lokale gruppen, som beveger seg gjennom det større universet.
Våre Lokalgruppen beveger seg mye raskere: ~620 km/s.
Dette illustrerte kartet over vår lokale superklynge, Jomfru-superhopen, spenner over mer enn 100 millioner lysår og inneholder vår lokale gruppe, som har Melkeveien, Andromeda, Triangulum og omtrent 60 mindre galakser. De overtette områdene tiltrekker oss gravitasjonsmessig, mens områdene med tetthet under gjennomsnittet effektivt frastøter oss i forhold til den gjennomsnittlige kosmiske attraksjonen.
Dette burde skyldes kosmiske, gravitasjonsmessige ufullkommenheter som drar i oss.
Fordi materie er fordelt omtrent jevnt over hele universet, er det ikke bare de overtette områdene som gravitasjonsmessig påvirker bevegelsene våre, men også de undertette områdene. En funksjon kjent som dipolavstøteren, illustrert her, ble nylig oppdaget og kan forklare vår lokale gruppes særegne bevegelse i forhold til de andre objektene i universet.
Nærliggende galaksebevegelser støtter konsekvent dette bildet.
Bevegelsene til nærliggende galakser og galaksehoper (som vist av ‘linjene’ som deres hastigheter flyter langs) er kartlagt med massefeltet i nærheten. De største overdensitetene (i rødt/gult) og underdensiteten (i svart/blått) kom fra svært små gravitasjonsforskjeller i det tidlige universet. I nærheten av de mest overtette områdene kan individuelle galakser bevege seg med særegne hastigheter på mange tusen kilometer i sekundet, men det som sees er totalt sett konsistent med vår observerte lokale bevegelse gjennom universet.
Imidlertid er fjernere bevegelsessporere i konflikt med den.
På skalaer større enn vår lokale superklynge, eller mer enn noen få hundre millioner lysår, ser vi ikke lenger forskjeller i ulike retninger som tilsvarer vår forventede, målte bevegelse gjennom universet. I stedet er de observerte effektene inkonsistente, både med det lokale universets målinger og med hverandre i mange tilfeller.
Plasmaer i klynger indikerer mindre generelle bevegelser: under ~260 km/s.
Planck-satellittens målinger av CMB-temperaturen på små vinkelskalaer kan avsløre forbedringer eller undertrykkelser av temperatur med titalls mikrokelvin indusert av objekters bevegelser: den kinetiske Sunyaev-Zel’dovich-effekten. Fra galaksehoper ser de en effekt som stemmer overens med 0, og det er vesentlig svakere enn man kan forvente fra vår antatte bevegelse gjennom universet.
De lyseste klyngegalaksene, derimot, avsløre større bevegelser: ~689 km/s.
Den gigantiske galaksehopen, Abell 2029, huser galaksen IC 1101 i kjernen. Med 5,5 til 6,0 millioner lysår i diameter, over 100 billioner stjerner og massen til nesten en kvadrillion soler, er det den største kjente galaksen av alle med mange metrikk. En undersøkelse av den lyseste galaksen i alle Abell-klyngene avslører en kosmisk bevegelse som er inkonsistent med CMB-dipolen.
Klyngeskaleringsrelasjoner avsløre gigantiske bevegelser i feil retning på ~900 km/s.
Den utledede forskjellen i bevegelser fra en rekke egenskaper til galaksehoper i forskjellige retninger over himmelen, inkludert røntgenstråler, lyseste klyngegalakse og Sunyaev-Zel’dovich-effekter.
Og anisotropier i galakseteller avsløre mer enn det dobbelte av den forventede effekten.
Helhimmelkart over galakser avslører at det finnes flere galakser med samme lysstyrke-/avstandsterskler i én retning over en annen. Denne såkalte raketteffekten har en forutsagt amplitude fra dipolen sett i CMB, men det som er observert er mer enn det dobbelte av den forutsagte effekten.
Radiogalakse teller er enda verre: fire ganger forventet amplitude.
Når hele himmelen sees i en rekke bølgelengder, avsløres visse kilder som tilsvarer fjerne objekter utenfor vår galakse. I radiobølgelengder kan galakser sees i alle retninger, men den lille forskjellen i ett sett med retninger over et annet ser ut til å være betydelig større enn forskjellen som kan forventes fra vår observerte bevegelse gjennom universet.
Quasar teller fra WISE har samme problem.
Med sin infrarøde undersøkelse på himmelen har NASAs Wide-field Infrared Survey Explorer, eller WISE, identifisert millioner av kvasar-kandidater, identifisert over hele himmelen (og vist i et lite område her) med gule sirkler. Grupperingen av kvasarer viser et unormalt stort signal i form av en retning som har høyere kvasartellinger (og det motsatte har lavere antall) enn forventet med en langt større mengde enn våre observerte bevegelser fører oss til å forvente.
Større, kommende undersøkelser kunne robust bekrefte denne andre «Hubblesenningen».
Den europeiske romfartsorganisasjonens EUCLID-oppdrag, planlagt lansert i 2023, vil være en av tre store bestrebelser dette tiåret, sammen med NSFs Vera Rubin-observatorium og NASAs Nancy Roman-oppdrag, for å kartlegge det storskala universet til ekstraordinær bredde og nøyaktighet.
Mostly Mute Monday forteller en astronomisk historie i bilder, grafikk og ikke mer enn 200 ord. Snakk mindre; smil mer.