skillnaden mellan hur snabbt universum verkar expandera och hur snabbt vi förväntar oss att det ska expandera är en av kosmologins mest envis ihållande anomalier.
kosmologer baserar sina förväntningar på expansionshastigheten — en hastighet som kallas Hubble — konstanten-på mätningar av strålning som emitteras strax efter Big Bang. Denna strålning avslöjar de exakta ingredienserna i det tidiga universum., Kosmologer kopplar ingredienserna i sin modell av kosmisk utveckling och kör modellen framåt för att se hur snabbt rymden ska expandera idag.
ändå faller förutsägelsen kort: när kosmologer observerar astronomiska objekt som pulserande stjärnor och exploderande supernovor ser de ett universum som expanderar snabbare, med en större Hubblekonstant.
diskrepansen, känd som Hubblespänningen, har kvarstått även om alla mätningar har blivit mer exakta. Vissa astrofysiker fortsätter att diskutera om spänningen kanske inte är något annat än ett mätfel., Men om skillnaden är verklig betyder det att något saknas från kosmologernas modell av universum.
nyligen har teoretikerna varit upptagna med att föreställa sig nya kosmiska ingredienser som, när de läggs till standardmodellen, skulle öka universums förväntade expansionshastighet, vilket gör det matcha observationer.
”upptäcka anomalier är det grundläggande sättet att vetenskapen gör framsteg”, säger Avi Loeb, en kosmolog vid Harvard University och en av dussintals forskare som har föreslagit lösningar på Hubble-spänningen.,
det här är några av de bästa idéerna för vad som kan påskynda kosmisk expansion.
ruttnande mörk materia
standardmodellen för kosmologi innehåller alla kända former av materia och strålning och deras interaktioner. Den innehåller också de osynliga ämnen som kallas mörk energi och mörk materia, som tillsammans utgör cirka 96% av kosmos. Eftersom så lite är känt om dessa mörka ingredienser är de kanske den uppenbara platsen att börja manipulera med standardmodellen. ”Det är vad du har till ditt förfogande för att ändra universums expansionshastighet”, sa Loeb.,
standardmodellen förutsätter att mörk materia består av långsamma partiklar som inte interagerar med ljus. Men vad händer om vi också antar att mörk materia inte är gjord av bara ett enda ämne? Eftersom många olika typer av synliga partiklar finns-kvarkar, elektroner och så vidare — kan det finnas flera mörka partiklar också.
i ett papper som publicerades förra sommaren i fysisk granskning d ansåg Loeb och två medarbetare en form av mörk materia som sönderfaller till en lättare partikel och en masslös partikel som kallas en mörk foton., När allt mer mörk materia förfallna över tiden, resonerade de, dess gravitationskraft skulle ha minskat, och därmed skulle universums expansion ha påskyndat och lindrat Hubblespänningen.
men att göra små förändringar så här till den vanliga kosmologiska modellen kan ha oönskade knock-on effekter. ”Det är väldigt lätt att komma med alla slags små modifieringar”, säger Marc Kamionkowski, en teoretisk fysiker vid Johns Hopkins University — men det är svårt att göra det, sa han, utan att förstöra modellens perfekta passform med en mängd andra astronomiska observationer.,
genom att variera sönderfallshastigheten och mängden mörk materia som förloras i varje förfall valde Loeb och kollegor en modell för förfallande mörk materia som de säger fortfarande håller med andra astronomiska observationer. ”Om du lägger till denna ingrediens i standardmodellen för kosmologi, håller allt ihop”, sa Loeb.
ändå är han fortfarande missnöjd med den förfallande dark matter-idén, delvis eftersom den introducerar två nya osäkra kvantiteter i ekvationerna.,
”i det här fallet lägger du till två fria parametrar för att lösa en skillnad — och jag är orolig för det”, sa han och jämför sönderfallande mörk materia med epicyklerna i Ptolemais jordcentrerade modell av universum. ”Jag skulle hellre ha två skillnader som förklaras av en parameter.”
Inconstant Dark Energy
ända sedan överraskningsupptäckten 1998 att universums expansion accelererar har kosmologer inkluderat en motbjudande mörk energi i sin modell av kosmisk utveckling. Men dess natur är fortfarande ett mysterium., Den enklaste möjligheten är att mörk energi är den ”kosmologiska konstanten” – energin i rymden själv, med en konstant densitet överallt. Men vad händer om mängden mörk energi i universum inte är konstant?
en extra dos av mörk energi i det tidiga universum, kallad tidig mörk energi, skulle kunna förena de motstridiga värdena för Hubble-konstanten. Det yttre trycket av denna tidiga mörka energi skulle ha påskyndat universums expansion. ”Den knepiga delen är att det inte verkligen kan stanna kvar; det måste gå snabbt”, säger Lisa Randall, en partikelfysiker och kosmolog vid Harvard.,