Klärung der Geschwindigkeit der Expansion des Universums könnte eine neue Physik

Es war in den frühen 1990er Jahren. Die Sternwarte der Carnegie in Pasadena, Kalifornien, leer, für die Weihnachtsferien. Wendy Freedman, eine in der Bibliothek gearbeitet, um das große und тернистой Problem: die Geschwindigkeit der Expansion des Universums. Carnegie war ein fruchtbarer Boden für diese Art von Arbeit. Genau hier, im Jahr 1929 Edwin Hubble zum ersten mal sah die Fernen Galaxie, улетающие Weg von der Milchstraße, Prellen in einem externen Thread expandierenden Raum. Die Geschwindigkeit dieser Strömung wurde bekannt als Hubble-Konstante.

Leiser Betrieb Friedman wurde bald abgebrochen, wenn die in die Bibliothek stürmte ein Kollege, der Astronom Allan Сэндидж, der wissenschaftliche Nachfolger des Hubble-Teleskops, die seit Jahrzehnten Regeln und legt eine Konstante Hubble-Konstante, konsequent schützt das langsame Tempo der Expansion. Friedman einer der letzten schirmte höhere raten, und Сэндидж gesehen ketzerische Forschung.

«Er war so wütend», erinnert sich Friedman, arbeitet jetzt an der University of Chicago in Illinois, «dass in diesem Moment ich erkannte, dass wir waren allein im ganzen Gebäude. Ich machte einen Schritt zurück und dachte, dass wir nicht in den freundlichen aus den Bereichen Wissenschaft».

Diese Opposition nachgelassen, aber nicht ganz. Сэндидж starb im Jahr 2010, und bis dahin die Mehrheit der Astronomen einigten sich auf die Hubble-Konstante in einem engen Bereich. Doch die neuesten Daten, die sicherlich gefallen würde selbst Сэндиджу, spricht für die Tatsache, dass die Hubble-Konstante auf 8% niedriger als Leitzahl. Fast hundert Jahre haben die Astronomen herausgefunden, sorgfältig zu messenden Distanz im nächsten Teil des Universums und weiter und weiter. Aber vor kurzem Astrophysik Maßen außen eine Konstante, basierend auf den Karten der kosmischen Mikrowellen-Hintergrunds (CMB), Sika Nachglühen des Urknalls, das war die Kulisse für den sichtbaren Teil des Universums. Machen Annahmen darüber, wie PUSH-толкайка Energie und Materie im Universum verändert das Tempo der kosmischen Expansion, seitdem bildete sich der kosmische Mikrowellen-hintergrund, Astrophysik nehmen können Ihre Karten und stellen eine Konstante Hubble-Konstante zum heutigen lokalen Universum. Die zahlen müssen übereinstimmen. Aber Sie sind nicht identisch.

Vielleicht in einem der Ansätze gibt es etwas Falsches. Beide Seiten suchen nach Mängel in den Methoden und Ihren anderen, und die älteren Figuren wie Friedman, eilen eigenen Angebote zu präsentieren. «Wir wissen nicht, in welche Richtung das alles führen wird», sagt Friedman.

Aber wenn es keine Einigung geben, wird es ein Riss am Himmel der modernen kosmologie. Dies kann bedeuten, dass in bestehenden Theorien fehlt eine Zutat, die mischte sich zwischen der Gegenwart und der antiken Vergangenheit, hineingeflochten worden in eine Kette von Interaktionen CMB mit dieser Hubble-Konstante. Wenn dies der Fall ist, wird die Geschichte sich wiederholen. In den 1990er Jahren Adam Riess, derzeit Astrophysiker der Universität John Hopkins in Baltimore, Maryland, leitete eine der Gruppen, die dunkle Energie, abstoßende Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt. Dies ist einer der Faktoren, die die Berechnungen CMB sollten berücksichtigt werden.

Jetzt hat ein Team von Riesz, führt die Suche nach der Hubble-Konstante in einem nahe gelegenen Raum und darüber hinaus. Sein Ziel ist nicht nur, zu präzisieren Zahl, sondern auch fangen, es ändert sich, ob es mit der Zeit so, dass auch die dunkle Energie nicht erklären. Bis dass er versteht schlecht, was könnte das fehlende Faktor. Und es ist sehr interessant, was geschieht.

Im Jahr 1927 Hubble jenseits der Milchstraße, bewaffnet mit den damals größten Teleskop der Welt, 2,5-Meter-Teleskop Гукера, das Stand auf dem Mount Wilson über Пасаденой. Er fotografiert wird Spiral Flecken, die jetzt uns bekannt als die Galaxie, und gemessen Rötung deren Licht während der Doppler-Verschiebung zu den langen Wellen des Lichts. Vergleicht man die Rotverschiebung der Galaxien mit Ihrer Helligkeit, Hubble kam zu interessanten Schlussfolgerungen: je dunkler und, vermutlich, weiter gab es eine Galaxie, desto schneller entfernt wurde. Damit das Universum expandiert. Und also hat das Universum eine endliche Alter, die Zählung begann mit dem Urknall.

Kosmische Widerspruch

Debate zum Thema Hubble-Konstante und das Tempo der Expansion des Universums begann mit einem Paukenschlag. Die Astronomen kamen auf eine bestimmte Anzahl der Verwendung der klassischen Methode der «Treppe Strecken», oder die astronomischen Beobachtungen des Lokaluniversums. Aber diese Werte in Konflikt mit космологическими Noten, die auf der Grundlage der Karten des frühen Universums und подвязанными zum heutigen Tag. Aus dieser Auseinandersetzung folgt, dass das Wachstum des Universums füttern kann die fehlende Zutat.

Um die Geschwindigkeit der Expansion — und die entsprechende Konstante — Hubble brauchte die Entfernungen bis zu den Galaxien, aber nicht nur die relativen, auf der Grundlage Ihrer sichtbaren Helligkeit. Deshalb begann er den mühsamen Prozess des Aufbaus fern Treppe — von der Milchstraße bis zu den benachbarten Galaxien und weiter, zu den Grenzen der expandierenden Raum. Jede Sprosse der Leiter müssen kalibriert «Standard-Kerzen»: Objekte, die verschoben sind, pulsieren, blinken oder rotieren, so dass es möglich war, genau festzustellen, wie weit Sie sind.

Die Erste Stufe schien robust genug: veränderliche Sterne, sogenannte цефеидами, die bauen und reduziert die Helligkeit nach ein paar Tagen oder Wochen. Die Länge dieses Zyklus verweist auf die innere Helligkeit des Sterns. Vergleicht man die beobachtete Helligkeit der Cepheiden mit einer Helligkeit, die von Ihr ausgehende Schwingungen, Hubble konnte berechnen Sie die Distanz. Teleskop Des Mount-Wilsonerkennen konnte, war einige Cepheiden in den nächsten Galaxien. Für die Fernen Galaxien wußte er, daß die hellsten Sterne in Ihnen haben die gleiche innere Helligkeit. Selbst in den Fernen Galaxien, Hubble vermutete, wird die Standard-Zündkerzen mit einer homogenen Abstrahlung.

Offensichtlich, diese Annahmen waren nicht die besten. Die erste veröffentlichte Hubble-Konstante lag bei 500 Kilometer pro Sekunde pro megaparsek — das heißt für jeweils 3,25 Millionen Lichtjahren, auf die er schaute in den Raum, expandierenden Universums расталкивала Galaxie 500 Kilometern pro Sekunde schneller. Diese Zahl war falsch und bedeutete, dass das Universum nur 2 Milliarden Jahre alt, also fast sieben mal weniger als heute. Aber das war nur der Anfang.

Im Jahr 1949 vollendete den Bau der 5,1-Meter-Teleskop in Паломаре in Südkalifornien — gerade zu jener Zeit, als Hubble hat einen Herzinfarkt. Er übergab den Mantel Сэндиджу, козырному Beobachter, die den folgenden Jahrzehnten verbrachte, zeigt fotografische Platte während der nächtlichen Sitzungen, die Arbeit mit einem riesigen Apparat Teleskop, zitternd vor Kälte und das Bedürfnis, in den Pausen.

Mit höherer Auflösung Паломара und hohe светособирательной Kraft, Сэндидж extrahieren konnte Cepheiden aus weiter entfernten Galaxien. Er hat auch festgestellt, dass die hellen Sterne Hubble waren eigentlich den ganzen Stern in der Menge. Sie waren von Natur aus heller und damit viel weiter, als ich dachte Hubble, dass, neben anderen änderungen, bedeutete das viel niedrigere Hubble-Konstante. In den 1980er-Jahren Сэндидж hielt auf den Wert 50, die vehement verteidigt. Einer seiner berühmtesten Gegner, der französische Astronom Gerard de Вокулер, bot der Wert 50. Einer der wichtigsten Parameter in der kosmologie verlief sich buchstäblich verdoppelt.

In den späten 1990er Jahren Friedman, überlebt verbaler Сэндиджа, zum Ziel gesetzt, dieses Rätsel zu lösen mit Hilfe des neuen Werkzeugs an, als ob absichtlich geschaffen wurde, um Ihrer Arbeit: Hubble Space Telescope. Seine klaren Blick über die Atmosphäre ließ das Team Friedman zeigen einzelne Cepheiden 10 mal weiter als Сэндиджу konnte mit Паломаром. Manchmal in diesen Galaxien waren wie Cepheiden und hellere Leuchttürme — Supernovae des Typs Ia. Diese explodierende weiße Zwergstern sichtbar durch den Raum und verglühen mit konstanter und maximaler Helligkeit. Kalibrierte nach цефеидам, Whitebeard kann selbst genutzt werden für die Erforschung der Fernen Grenzen des Kosmos. Im Jahr 2001 Team Friedman eingeengt Hubble-Konstante bis 72 Plus-minus 8, dass das Ende von sch Сэндиджа und de Вокулера. «Ich war erschöpft», sagt Sie. «Ich dachte, nie wieder zur Arbeit am Hubble-Konstante».

Edwin Hubble

Aber dann kam der Physiker, fand die unabhängige Methode zur Berechnung der Hubble-Konstante mit Hilfe des entferntesten und des versetzten in den roten Teil des Spektrums — Mikrowellen-hintergrund. Im Jahr 2003 wurde die Sonde WMAP veröffentlicht seine erste Karte, auf der die Spektren zeigte Temperaturschwankungen im CMB. Diese Karte hat keine Standard-Kerze und Standard-Kriterium: das Bild der heißen und kalten Flecken in der primären Suppe, die lautlichen Wellen, die plätschernden прокатывались aller Neugeborenen des Universums.

Nach ein paar Annahmen über die Inhaltsstoffe in dieser Brühe — in Form von bekannten Teilchen, Atomen und Photonen, einige zusätzliche unsichtbare Substanzen wie dunkle Materie und dunkle Energie — Team WMAP konnte berechnen Sie die physikalische Größe dieser primären Schallwellen. Er kann verglichen werden mit scheinbarer Größe der Schallwellen, die in den Spots CMB. Dieser Vergleich ergab Entfernung zum Mikrowellen-hintergrund und Bedeutung der Geschwindigkeit der Expansion des Universums in das ursprüngliche Moment. Indem Sie Annahmen darüber, wie gewöhnliche Teilchen, dunkle Energie und dunkle Materie seitdem änderten Erweiterung, WMAP-Team führen könnte Konstanten Wert in übereinstimmung mit Ihrer derzeitigen Geschwindigkeit des Anstiegs. Ursprünglich führten Sie den Wert von 72, in übereinstimmung mit dem, was Friedman hatte.

Aber seitdem die astronomischen Messungen der Hubble-Konstante zeigten höhere Werte, obwohl die Fehlerquote verringert. In den neuesten Publikationen Rieß ging vorwärts, indem Sie eine Infrarot-Kamera, die im Jahr 2009 auf den Hubble-Teleskop sind, die wie Sie feststellen können Entfernungen bis Cepheiden der Milchstraße, und markieren Sie die Distanz, über die roten verwandten unter den mehr blauen Sternen, die gewöhnliche umgeben Cepheiden. Das Letzte Ergebnis, das Team hat Riesz — 73,24.

Unterdessen Planck-Mission (ESA), die gezeigt hat CMB in High Definition und mit verbesserter Temperatur-Genauigkeit, blieb einen Wert von 67,8. Nach den Gesetzen der Statistik, diese beiden Werte ein Leerzeichen eingefügt 3,4 Sigma — nicht in 5 Sigma, die in der Physik Teilchen sprechen von einem signifikanten Ergebnis, aber schon fast. «Es ist schwer zu erklären statistischer Fehler», sagt Chuck Bennett, Astrophysiker von der Universität von Johns Hopkins, der WMAP Team.

Jede Seite stochert mit dem Finger in die andere. Georg Эфстатиус, ein führender Kosmologe im Team Bügel an der Universität von Cambridge, sagt, dass die Planck-Daten «absolut unantastbar». Die frische Analyse der Ergebnisse der Bügel im Jahr 2013 Zwang ihn zum nachdenken. Er lud die Daten Riesz, und veröffentlichte seine eigene Analyse mit niedrigeren und weniger präzise Hubble-Konstante. Er glaubt, dass die Astronomen erkannten die «schmutzige» Treppe.

In Antwort Astronomen behaupten, dass produzieren die tatsächliche Dimension der modernen Welt, da die Methode der Messung der CMB stützt sich auf eine Vielzahl von kosmologischen Annahmen.Wenn Sie nicht konvergieren, sagen Sie, warum dann nicht ändern kosmologie? Stattdessen «Georg Эфстатиус rein und sagt, Sie sagen, ich werde überdenken alle Ihre Daten», sagt Barry Mador von der University of Chicago, Ehemann und Kollege Friedman seit den 1980er Jahren. Was kann ich tun? Müssen den gordischen Knoten.

Wendy Friedman glaubte, dass Ihre Studie von 2001 ergab eine Konstante Hubble-Konstante, aber die Kontroverse entfachte mit der neuen Kraft.

Auf der Seite des Astronomen ist die Methode der so genannten gravitationslinsen. Um den massiven Galaxie selbst die Gravitation verzerrt den Raum, bilden eine riesige Linse, die verzerren kann das Licht von einer Fernen Lichtquelle, zum Beispiel Quasar. Wenn die Ausrichtung der Linsen und Quasar wird ein bestimmter, Licht aus mehreren Tracks Sehnsucht nach der Erde und schafft eine Vielzahl von Bildern линзирующей Galaxie. Wenn Sie Glück haben, Quasar variieren in der Helligkeit, das heißt flackern. Jedes Bild geklont wird auch flackern, aber nicht gleichzeitig, weil die Lichtstrahlen von jedem Bild wählen unterschiedliche Wege durch den verzerrten Raum. Die Verzögerung zwischen blinken weist auf den Unterschied in den Längen der Wege; indem Sie mit der Größe der Galaxie, die Astronomen können Trigonometrie verwenden, um zu berechnen absolute Abstand zum линзирующей Galaxie. Nur drei Galaxien wurden sorgfältig gemessen und somit noch sechs untersucht im Moment. Ende Januar Astrophysiker Sherry Stecke der max-Planck-Instituts für Astrophysik in Deutschland und Ihre Kollegen veröffentlichten Ihre besten Berechnungen der Hubble-Konstante. «Unsere Messung entspricht dem Ansatz der Treppe Strecken», sagt Stecke.

Inzwischen Kosmologen haben auch Trümpfe in petto: барионные akustische Oszillationen (BAO). In dem Maße, wie das Universum aufwächst, die gleichen Schallwellen, was waren Aufdruck auf CMB, verlassen Klumpen von Materie, die sich im galaktischen Ansammlungen. Die Anordnung der Galaxien am Himmel halten müssen die ursprünglichen Verhältnisse der Schallwellen, und wie früher die scheinbare Bilder mit Ihrer geschätzten tatsächlichen Größe bestimmt die Distanz. Wie CMB-Methode, die Methode BAO ermöglicht eine kosmologische Hypothese. Aber die letzten paar Jahre unterstützt er die Werte der Hubble-Konstante auf der Ebene mit Планком. Die vierte Iteration des Sloan Digital Sky Survey, der weltweiten Erhebung des Himmels, das in der galaktischen Karte, diese Messung wird Ihnen helfen zu klären.

Dies bedeutet nicht, dass die Teams, führt den Kampf für die Treppe Strecken und CMB, die nur darauf warten anderen Verfahren zur Beilegung der Streitigkeit. Um das Fundament zu verbessern Telearbeit Treppen, Wege bis zu Cepheiden in der Milchstraße, die Mission Gaia der europäischen Weltraumorganisation versucht, die genaue Entfernung bis zu einer Milliarde verschiedenen umliegenden stars wie Cepheiden. Gaia, die sich in der Umlaufbahn in der Nähe der Sonne außerhalb der Erde, verwendet die sichersten Maßnahmen: die Parallaxe, oder scheinbare Verschiebung der Sterne in Bezug auf den himmlischen hintergrund, wenn das Raumschiff erreicht den entgegengesetzten Punkten seiner Umlaufbahn. Wenn im Jahr 2022 veröffentlicht wird der vollständige Datensatz Gaia, er stellt eine zusätzliche Bühne für das Vertrauen der Astronomen. Riess fand bereits Andeutungen zugunsten seiner höheren Hubble-Konstante, als er die vorläufigen Ergebnisse der Gaia.

Kosmologen hoffen auch zu festigen Ihre kosmologischen Messungen mit einem Teleskop in der Atacama in Chile und Südpol-Teleskop, das hochgenaue Ergebnisse überprüfen kann Bügel. Und wenn Sie sich weigern, die Ergebnisse konvergieren, dann schließen die Lücke versuchen Theoretiker. «Gut, wenn das Modell aufgeteilt. Die Bestätigung des Modells ist uninteressant».

Zum Beispiel könnten Sie fügen Sie zusätzliche Teilchen im Standard-Modell des Universums. CMB bietet die Einschätzung der Allgemeinen Energie-Haushalt kurz nach dem Urknall, als er gliedert sich in die Materie und dass die hochenergetischen Strahlung. Wie aus der berühmten Formel Einsteins äquivalenz E = mc², die Energie wirkte wie Materie, verlangsamt die Erweiterung des Raumes Ihre Schwerkraft. Aber die Materie — mehr als effektive Bremse. Im Laufe der Zeit die Strahlung — Photonen-Licht und andere leichte Teilchen wie Neutrinos — abkühlen und verlieren Energie gravitative Wirkung weicht.

Derzeit gibt es drei Arten von Neutrinos. Wenn gab es eine vierte, wie einige vermuteten Theoretiker, auf der Seite der Strahlung in der ursprünglichen Energie-Budget des Universums war ein wenig mehr, und рассеивалась würde dieses Teil schneller. Dies wiederum würde bedeuten, dass das frühe Universum expandiert schneller als prognostiziert Liste der Zutaten der modernen kosmologie. In Zukunft wird es neben versöhnen könnte zwei verschiedene Ergebnisse. Aber Detektoren Neutrinos während ergaben keine Hinweise auf Neutrinos der vierten Art, und andere Dimensionen Bügel begrenzt die Gesamtmenge der überschüssigen Strahlung.

Eine weitere Option — die so genannte Ghost-dunkle Energie. Aktuelle kosmologische Modelle bedeuten, unter dunkle Energie eine Konstante Kraft. Wenn die dunkle Energie immer stärker wird im Laufe der Zeit, es würde erklären, warum der Kosmos heute schneller ausdehnt, als man denken würde, Blick auf das frühe Universum. Allerdings Variable dunkle Energie scheint völlig überflüssig. Kosmologen und Astrophysiker sind geneigt zu glauben, dass die Probleme eher in den bestehenden Verfahren, nicht in der neuen Physik.

Friedman glaubt, dass die einzige Lösung — Feuer mit Feuer bekämpfen — liegt in den neuen Beobachtungen des Universums. Zusammen mit Мадором Sie bereiten sich auf die einzelnen Dimensionen, kalibriertes nicht nur auf цефеидам, sondern auch für andereTypen veränderlicher Sterne und eine helle rote Riesen. Die nächsten Beispiele wird es möglich sein, zu studieren mit dem automatischen Teleskop in der Breite von 30 Zentimetern und Ferne helfen zu erforschen-Weltraum-Teleskope Hubble und Spitzer. Wenn Sie schon mal konnte man mit der dunklen und буйствующим Сэндиджем, ist Sie bereit, zu beantworten Anmaßung Team Bügel und Riesz.

«Sie sagten, dass wir nicht Recht haben. Na ja, mal sehen», scherzt Sie.