“Tidlig mörk energi” kan förklara krisen inom kosmologin

1916 avslutade Einstein sin teori om allmän relativitet, som beskriver hur gravitationskrafter förändrar rumtidens krökning. Bland annat förutspådde denna teori att universum expanderar, vilket bekräftades av Edwin Hubbles observationer 1929. Sedan dess har astronomer tittat längre ut i rymden (och därför in i tiden) för att mäta hur snabbt universum expanderar . – även känd som Hubble-konstanten. Dessa mätningar har blivit allt mer exakta tack vare upptäckten av Cosmic Microwave Background (CMB) och observatorier som rymdteleskopet Hubble.

Astronomer har traditionellt gjort detta på två sätt: direkt genom att mäta det lokalt (med hjälp av variabla stjärnor och supernovor) och indirekt genom att förlita sig på CMB-rödförskjutningsmätningar och kosmologiska modeller. Tyvärr har dessa två metoder producerat olika värden under det senaste decenniet. Som ett resultat av detta har astronomer letat efter en möjlig lösning på detta problem, känd som “Hubblestension”. Enligt ett nytt dokument från ett team av astrofysiker, existensen av “tidig mörk energi“kan vara lösningen kosmologer letar efter.

Studien utfördes av Marc Kamionkowski, William R. Kenan, juniorprofessor i fysik och astronomi vid Johns Hopkins University (JHU), och Adam G. Riess, astrofysiker och Bloomberg professor emeritus vid JHU och Space Telescope Science Institute (STScI). Deras papper, med titeln “The Hubble Tension and Early Dark Energy”, granskas för publicering i Årlig granskning av kärn- och partikelvetenskap (och för närvarande tillgänglig på arXiv förtrycksserver). Som de förklarar i sin artikel finns det två metoder för att mäta kosmisk expansion.

Den direkta metoden är att använda supernovor som “standardljus” (avståndsmarkörer) för att göra mätningar i lokal skala. Den indirekta metoden går ut på att jämföra CMB-mätningar med kosmologiska modeller, såsom Lambda Cold Dark Matter-modellen (LCMD), som inkluderar närvaron av mörk materia och mörk energi. Tyvärr ger dessa två metoder olika resultat, den första ger ett värde på ~73 km/s per megaparsec (Mpc) och den andra ger ~67 km/s Mpc.

Som Dr Reiss förklarade för Universe Today via e-post, “Hubble-konstanten är den aktuella hastigheten med vilken universum expanderar. Hubble-spänningen är en avvikelse i värdet du hittar för Hubble-konstanten när du mäter expansionshastigheten så gott du kan eller förutsäger vilket värde den borde ha baserat på hur universum tog hand om Big Bang i kombination med en modell av universums utveckling. Det är ett problem för om de två vägarna inte stämmer överens, får det oss att tro att vi missförstår något om universum.”

Men som Reiss tillägger är mysteriet med Hubbles spänning inte så mycket ett problem som en möjlighet till ny upptäckt. Hittills har många kandidater föreslagits för att förklara diskrepansen, allt från förekomsten av extra strålning, modifierad generell relativitetsteori (GR), modifierad newtonsk dynamik (MOND), primordiala magnetfält eller förekomsten av mörk materia och mörk energi under den tidiga tiden. universum som betedde sig på olika sätt. Dessa kan generellt delas in i två kategorier: tidiga lösningar (kort efter Big Bang) och sena lösningar (senare i kosmisk historia).

Sena lösningar postulerar det energi densitet i post-rekombinationsuniversum – när det tidiga universums joniserade plasma gav upphov till neutrala atomer (cirka 300 000 år efter Big Bang) – är mindre än i standardmodellen LCMB. Tidiga lösningar, å andra sidan, hävdar att energitätheten på något sätt har ökat innan rekombination inträffar, så att “ljudhorisonten” (färdsträckan en ljudvåg kan färdas) minskar. För syftet med sin studie ansåg Kamionkowski och Kenan Early Dark Energy (EDE) som en potentiell kandidat.

Som Reiss förklarade skulle närvaron av EDE ha bidragit med cirka 10% av universums totala energitäthet innan rekombination inträffade. Efter rekombination skulle energitätheten ha minskat snabbare än andra former av strålning och därmed lämnat universums sena utveckling oförändrad. “Detta skulle producera en ytterligare, oväntad expansion i det unga universum som, om vi var omedvetna om det, skulle resultera i att det förutsagda värdet underskattas jämfört med det faktiska värdet,” sa Reiss.

Det som gör EDE att föredra framför sena lösningar är hur de senare antyder existensen av en vätska som faktiskt skapar energi ur ingenting, vilket bryter mot det starka energitillstånd som förutsägs av GR. Dessutom är dessa modeller svåra att förena med kosmiska avståndsskalamätningar av Cepheidvariabler och Typ Ia-supernovor i närliggande galaxer (låg rödförskjutningsmål) och Typ Ia-supernovor i avlägsna galaxer (hög rödförskjutning). Kort sagt, lösningar som involverar förändringar i dynamiken i det tidiga universum verkar vara mest förenliga med etablerade kosmologiska begränsningar.

Som de noterar, även om det finns en växande mängd bevis som tyder på förekomsten av EDE, är våra nuvarande CMB-mätningar ännu inte tillräckligt exakta och robusta för att skilja EDE-mönster från standard LCDM-mönstret. Vad som behövs, framåt, är förbättrade lokala mätningar som hjälper till att förfina Hubble-konstanten och ta bort eventuella systematiska fel. För det andra behövs mer exakta mätningar av CMB-polarisation på mindre vinkelskalor för att testa EDE och andra nya fysiska modeller.

Som de indikerar i sin artikel, görs dessa mätningar redan tack vare Dark Energy Survey-observatorier och nästa generations observatorier, såsom James Webb Space Telescope (JWST) och ESA:s Euclid-uppdrag, “Lyckligtvis, nästa Dessutom krävs observations infrastruktur är redan på plats, eftersom den till stor del sammanfaller med den som samlats för att studera (det sena universum) mörk energi och inflation.

“I slutändan måste vi fortsätta att utforska astrofysiska osäkerheter och mätosäkerheter. Som vi har lärt oss gång på gång inom kosmologin finns det ingen enskild lösning – fasta slutsatser nås endast med flera observationsvägar och ett tätt sammansatt nätverk av kalibreringar, korskalibrering , och konsistenskontroller.”