Het heelal breidt zich voortdurend uit, maar de exacte snelheid waarmee dit gebeurt, blijft onduidelijk, en is tot nu toe alleen benaderd met behulp van NASA's Hubble Space Telescope en andere soortgelijke instrumenten. Bovendien, in recente jaren, astronomen die de Hubble-telescoop gebruiken, hebben een discrepantie onthuld tussen de twee primaire technieken die worden gebruikt voor het schatten van de uitdijingssnelheid van het universum.

Eigenlijk, metingen verzameld door de Hubble-telescoop suggereren dat het universum veel sneller uitdijt dan wat wordt afgeleid uit waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond (CMB). Deze discrepantie, aangeduid als de Hubble-spanning, heeft geleid tot een groeiende belangstelling binnen de natuurkundige onderzoeksgemeenschap, maar pogingen om het op te lossen zijn tot nu toe niet succesvol geweest.

Onderzoekers van de Johns Hopkins University en Swarthmore College hebben onlangs een alternatief model voorgesteld en getest dat de Hubble-spanning zou kunnen oplossen. In hun studie hebben geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers hebben met succes een model van donkere energie toegepast dat eerder werd gepresenteerd door Marc Kamionkowski (een van de auteurs), die het beschrijft als evoluerend maar niet-interactief voor de Hubble-spanning.

"Ondanks het gebrek aan succes, eerdere pogingen om de Hubble-spanning op te lossen hebben ons in staat gesteld om ongeveer te begrijpen welke kenmerken een oplossing zou moeten hebben, " Vivian Poulin, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Tegelijkertijd, we werkten aan het testen van de gevolgen van de snaartheorie met kosmologische waarnemingen, die het bestaan ​​voorspelt van een "axiversum, "d.w.z. een enorm aantal extreem lichte deeltjes met zeer eigenaardige fysische eigenschappen. We realiseerden ons dat een eenvoudige wijziging van de fysieke eigenschappen van deze deeltjes hen de kenmerken gaf die we nodig hadden in de context van de Hubble-spanning. Dus, we besloten om deze richting op te gaan en dit alternatieve model te testen."

Poulin en zijn collega's zijn theoretische kosmologen, dus bouwden ze geen instrument om hun ideeën te testen. In plaats daarvan, ze gebruikten gegevens die zijn verzameld tijdens gerenommeerde onderzoekssamenwerkingen zoals Planck's CMB-waarnemingen en de SH0ES H0-metingen. Met behulp van deze eerder verzamelde gegevens, de onderzoekers pasten een model van vroege donkere energie (EDE) toe op de Hubble-spanning.

Donkere energie is een hardnekkig mysterie binnen het huidige kosmologische begrip, ondanks dat het ongeveer 70 procent van de energiedichtheid van het universum uitmaakt. Het werd voor het eerst ontdekt in 1998 door Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter en hun respectievelijke teams tijdens hun supernova-waarnemingen.

"Een EDE betekent gewoon dat deze deeltjes, in de kosmologische context, veel vroeger werken als een donkere energiecomponent (d.w.z. een vloeistof met negatieve druk) dan de huidige donkere energie doet, " legde Poulin uit. "In de praktijk, deze deeltjes wijzigen de uitdijingssnelheid van het heelal rond het tijdstip waarop CMB-fotonen werden uitgezonden (d.w.z. slechts 380, 000 jaar na de oerknal), het iets verhogen (met ongeveer 3 procent) in vergelijking met de standaardvoorspelling."

In hun studie hebben Poulin en zijn collega's berekenden hoe de CMB eruit zou zien in aanwezigheid van een EDE-component. Gezien de precisie van de gegevens die door Planck zijn verzameld en in hun berekeningen zijn gebruikt, de voorspellingen van de onderzoekers waren vrij gedetailleerd.

"We moesten uitzoeken hoe ons model zich precies zou gedragen, evolueren en fluctueren, en hoe het de kosmische microgolfachtergrond zou beïnvloeden, het oudste licht in het heelal, "Tanvi Karwal, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "De CMB is complex en de vorm ervan moet numeriek worden berekend, dus hebben we code die de EDE beschrijft toegevoegd aan een reeds bestaande code om kosmologische informatie uit de CMB te extraheren."

Poulin, Karwal en hun collega's gebruikten een supercomputer om honderdduizenden verschillende kosmologieën te bemonsteren. Hierdoor konden ze de kosmologie identificeren die het beste past bij bestaande waarnemingen van het universum. Ze ontdekten dat dit nieuwe kosmologische model, die een EDE-component bevat, zou de Hubble-spanning kunnen oplossen.

Eigenlijk, merkten de onderzoekers op dat een kleine wijziging van de uitdijingssnelheid van het universum in het verre verleden, zoals geproduceerd door een EDE, zou de Hubble-spanning kunnen oplossen. Het is mogelijk dat het werkelijke model dat in hun onderzoek is getest, dat slechts een zogenaamd speelgoedmodel is, wordt in de natuur niet gerealiseerd.

"Dit is geen probleem, omdat in de kosmologie, wat er echt toe doet, zijn de dynamische eigenschappen van een ensemble van deze deeltjes (nauwkeuriger gezegd, het is hun totale energiedichtheid en druk), en niet zozeer hun individuele microfysische eigenschappen, ' zei Poulin. 'In feite, er zijn al alternatieve realisaties van de EDE voorgesteld nadat ons werk werd gepubliceerd, wiens collectieve eigenschappen vergelijkbaar zijn met degene die we hebben voorgesteld."

Algemeen, het werk van Poulin, Karwal en hun collega's helpen het huidige begrip van wanneer en hoeveel EDE dynamisch belangrijk moet zijn geweest, die uiteindelijk de ontwikkeling van effectievere kosmologische modellen zouden kunnen beïnvloeden. Gezien de nauwkeurigheid van de Planck-gegevens, het is hoogst onbeduidend dat een vloeistof die in zeer vroege tijden tot 10 procent van de energiedichtheid van het universum vertegenwoordigt, de CMB niet significant zou beïnvloeden, waaruit blijkt dat het aanzienlijke numerieke berekeningen vereist.

"Mijn belangrijkste conclusie van dit project is dat afwijkende kosmologische observaties ons kunnen helpen om nieuwe fysica te verkennen, " zei Karwal. "Dit onderzoek heeft andere groepen geïnspireerd om vergelijkbare modellen van EDE te onderzoeken als een oplossing voor de Hubble-spanning. We hebben nog wat werk te doen om ons EDE-model te verfijnen en te begrijpen, maar zijn ook geïnteresseerd in totaal verschillende oplossingen voor de Hubble-spanning."

De onderzoekers zijn nu van plan om hun model op verschillende manieren verder te testen. Eerst, ze willen het gebruiken om zoveel mogelijk te leren over de eigenschappen van EDE. In feite, hoewel er een aantal alternatieve modellen van EDE zijn, de resoluties die door deze modellen worden geproduceerd, zijn niet zo effectief als die van de nieuwe. Poulin, Karwal en hun collega's willen graag begrijpen waarom hun model betere voorspellingen geeft, omdat hun bevindingen de gevoeligheid van gegevens voor de kenmerken van EDE benadrukken.

"We willen ook zien of er aanvullende handtekeningen van deze deeltjes zijn in kosmologische waarneembare, ' zei Poulin. 'Bijvoorbeeld, we realiseerden ons al dat CMB-experimenten van de volgende generatie (zoals Simons Observatory en CMBS4) dit model onafhankelijk van de supernova-waarneming zouden kunnen testen. Het betekent dat men ondubbelzinnig zou kunnen zeggen dat deze vloeistof in de natuur bestaat zonder de Hubble-spanning op te roepen. Maar we hebben ook aangetoond dat deze modellen de statistische eigenschappen van ensembles van sterrenstelsels kunnen beïnvloeden, waarvoor we tal van observaties hebben."

In de toekomst, nieuwe gegevens die zijn verzameld met behulp van ruimte-instrumenten zoals de EUCLID-satelliet en de LSST-telescoop, kunnen de nauwkeurigheid en reikwijdte van de metingen die door dit team van onderzoekers zijn verzameld, verbeteren. De onderzoekers denken dat deze waarnemingen ook de vingerafdruk van EDE kunnen bevatten, hoewel het bereiken van een nauwkeurige voorspelling van deze vingerafdruk extra werk vereist dat veel verder gaat dan de numerieke berekeningen die ze hebben uitgevoerd.

© 2019 Wetenschap X Netwerk