Die Diskrepanz zwischen dem, wie schnell das Universum scheint sich zu weiten und wie schnell wir erwarten, dass es zu erweitern, ist eine der kosmologie die meisten hartnäckige Anomalien.
Kosmologen stützen ihre Erwartung der Expansionsrate — eine Rate, die als Hubble — Konstante bekannt ist-auf Messungen der Strahlung, die kurz nach dem Urknall emittiert wird. Diese Strahlung zeigt die genauen Bestandteile des frühen Universums., Kosmologen stecken die Zutaten in ihr Modell der kosmischen Evolution und führen das Modell vorwärts, um zu sehen, wie schnell sich der Weltraum heute ausdehnen sollte.
Doch die Vorhersage fällt kurz aus: Wenn Kosmologen astronomische Objekte wie pulsierende Sterne und explodierende Supernovas beobachten, sehen sie ein Universum, das sich schneller ausdehnt, mit einer größeren Hubble-Konstante.
Die Diskrepanz, die als Hubble-Spannung bekannt ist, hat auch dann bestand, wenn alle Messungen präziser geworden sind. Einige Astrophysiker diskutieren weiterhin, ob die Spannung nichts anderes als ein Messfehler sein könnte., Aber wenn die Diskrepanz real ist, bedeutet das, dass etwas im Modell der Kosmologen des Universums fehlt.
In letzter Zeit waren Theoretiker damit beschäftigt, sich neue kosmische Zutaten vorzustellen, die, wenn sie dem Standardmodell hinzugefügt werden, die erwartete Expansionsrate des Universums erhöhen und Beobachtungen entsprechen würden.
„Die Entdeckung von Anomalien ist die grundlegende Art und Weise, wie die Wissenschaft Fortschritte macht“, sagte Avi Loeb, Kosmologe an der Harvard University und einer von Dutzenden von Forschern, die Lösungen für die Hubble-Spannung vorgeschlagen haben.,
Dies sind einige der Top-Ideen für das, was die kosmische Expansion beschleunigen könnte.
Zerfallende Dunkle Materie
Das Standardmodell der Kosmologie umfasst alle bekannten Formen von Materie und Strahlung und deren Wechselwirkungen. Es enthält auch die unsichtbaren Substanzen, die als Dunkle Energie und Dunkle Materie bekannt sind und zusammen etwa 96% des Kosmos ausmachen. Da so wenig über diese dunklen Inhaltsstoffe bekannt ist,sind sie vielleicht der offensichtliche Ort, um mit dem Standardmodell zu beginnen. „Das steht Ihnen zur Verfügung, um die Expansionsrate des Universums zu ändern“, sagte Loeb.,
Das Standardmodell geht davon aus, dass dunkle Materie aus sich langsam bewegenden Teilchen besteht, die nicht mit Licht interagieren. Aber was ist, wenn wir auch annehmen, dass dunkle Materie nicht nur aus einer einzigen Substanz besteht? Da es viele verschiedene Arten von sichtbaren Teilchen gibt-Quarks, Elektronen usw.—, können auch mehrere dunkle Teilchen vorhanden sein.
In einer Arbeit, die letzten Sommer in Physical Review D veröffentlicht wurde, betrachteten Loeb und zwei Mitarbeiter eine Form dunkler Materie, die in ein leichteres Teilchen und ein massenloses Teilchen zerfällt, das als dunkles Photon bekannt ist., Als immer mehr dunkle Materie im Laufe der Zeit verfiel, argumentierten sie, hätte sich ihr Gravitationszug verringert, und so hätte sich die Expansion des Universums beschleunigt und die Hubble-Spannung gelindert.
Aber kleine Änderungen wie diese am kosmologischen Standardmodell können unerwünschte Auswirkungen haben. „Es ist sehr einfach, alle möglichen geringfügigen Änderungen vorzunehmen“, sagte Marc Kamionkowski, theoretischer Physiker an der Johns Hopkins University — aber es ist schwer, dies zu tun, ohne die perfekte Passform des Modells mit einer Fülle anderer astronomischer Beobachtungen zu ruinieren.,
Durch Variation der Zerfallsrate und der Menge an dunkler Materie, die bei jedem Zerfall verloren geht, wählten Loeb und Kollegen ein Modell der zerfallenden dunklen Materie, von dem sie sagen, dass es immer noch mit anderen astronomischen Beobachtungen übereinstimmt. „Wenn Sie diese Zutat zum Standardmodell der Kosmologie hinzufügen, hält alles zusammen“, sagte Loeb.
Dennoch bleibt er unzufrieden mit der Idee der verfallenden Dunklen Materie, zum Teil, weil sie zwei neue unsichere Größen in die Gleichungen einführt.,
„In diesem Fall fügen Sie zwei freie Parameter hinzu, um eine Diskrepanz aufzulösen — und ich bin mir darüber nicht sicher“, sagte er und verglich die verfallende dunkle Materie mit den Epizyklen in Ptolemäus erdzentriertem Modell des Universums. „Ich hätte lieber zwei Diskrepanzen, die durch einen Parameter erklärt werden.“
Inconstant Dark Energy
Seit der überraschenden Entdeckung im Jahr 1998, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, haben Kosmologen eine abstoßende dunkle Energie in ihr Modell der kosmischen Evolution aufgenommen. Aber seine Natur bleibt ein Rätsel., Die einfachste Möglichkeit ist, dass dunkle Energie die „kosmologische Konstante“ ist — die Energie des Raumes selbst, mit einer konstanten Dichte überall. Aber was ist, wenn die Menge an dunkler Energie im Universum nicht konstant ist?
Eine zusätzliche Dosis dunkler Energie im frühen Universum, frühe dunkle Energie genannt, könnte die widersprüchlichen Werte der Hubble-Konstante in Einklang bringen. Der äußere Druck dieser frühen dunklen Energie hätte die Expansion des Universums beschleunigt. „Der schwierige Teil ist, dass man nicht wirklich herumhalten kann; es muss schnell weggehen“, sagte Lisa Randall, Teilchenphysikerin und Kosmologin an der Harvard.,