Οι κοσμολόγοι συζητούν πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν
Το 1998, δύο ομάδες κοσμολόγων παρατήρησαν δεκάδες μακρινούς σουπερνόβα και συμπέραναν ότι τρέχουν μακριά από τη Γη όλο και πιο γρήγορα. Αυτό σήμαινε ότι - αντίθετα με τις προσδοκίες - η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, και επομένως ο ιστός του διαστήματος πρέπει να εμποτιστεί με μια απωθητική «σκοτεινή ενέργεια» που περιλαμβάνει περισσότερα από τα δύο τρίτα των πάντων. Για αυτήν την ανακάλυψη, οι ηγέτες της ομάδας, ο Saul Perlmutter του Supernova Cosmology Project και οι Brian Schmidt και Adam Riess της Ομάδας Αναζήτησης Supernova High-Z, κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής 2011.
Προχωρήστε γρήγορα μέχρι τον Ιούλιο του τρέχοντος έτους.
Ένα πρωί της Δευτέρας πριν από τρεις εβδομάδες, πολλοί από τους κορυφαίους κοσμολόγους του κόσμου συγκεντρώθηκαν στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια, για να συζητήσουν μια σημαντική κατάσταση. Ο Ρις, τώρα 49 ετών, έκανε μια βόλτα στο μπροστινό μέρος μιας αίθουσας σεμιναρίων για να δώσει την εναρκτήρια ομιλία. Ένα μπουλντόγκ ενός άνδρα με ένα κοντομάνικο μπλουζάκι, ο Riess παρουσίασε τα στοιχεία, που συγκέντρωσε ο ίδιος και άλλοι, ότι το σύμπαν διαστέλλεται επί του παρόντος πολύ γρήγορα — ταχύτερα από ό,τι προβλέπουν οι θεωρητικοί όταν προεκτείνουν από το πρώιμο σύμπαν στο σήμερα ημέρα. "Εάν το όψιμο και το πρώιμο σύμπαν δεν συμφωνούν, πρέπει να είμαστε ανοιχτοί στην πιθανότητα μιας νέας φυσικής", είπε.
Διακυβεύεται η καθιερωμένη θεωρία του Κόσμου που βασιλεύει από την ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας. Η θεωρία, που ονομάζεται ΛCDM, περιγράφει όλη την ορατή ύλη και ενέργεια στο σύμπαν, μαζί με τη σκοτεινή ενέργεια (που αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα Λ, ή λάμδα) και την ψυχρή σκοτεινή ύλη (CDM), δείχνοντας πώς εξελίσσονται σύμφωνα με τη θεωρία του Άλμπερτ Αϊνστάιν. βαρύτητα. Το ΛCDM αποτυπώνει τέλεια χαρακτηριστικά του πρώιμου σύμπαντος — μοτίβα που φαίνονται καλύτερα στα αρχαία μικροκύματα που προέρχονται από μια κρίσιμη στιγμή όταν ο κόσμος ήταν 380.000 ετών. Από τότε που κυκλοφόρησε ο πρώτος χάρτης αυτού του «κοσμικού μικροκυματικού φόντου» του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck το 2013, οι επιστήμονες μπόρεσαν να συμπεράνουν με ακρίβεια μια κλίμακα απόστασης στο νεαρό σύμπαν και να χρησιμοποιήσουν το ΛCDM για γρήγορη μετάβαση από τα 380.000 χρόνια μέχρι σήμερα. για την πρόβλεψη του τρέχοντος ρυθμού κοσμικής διαστολής — γνωστή ως σταθερά Hubble ή H0 .
Η ομάδα Planck προβλέπει ότι το σύμπαν θα πρέπει να διαστέλλεται με ρυθμό 67,4 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec. Δηλαδή, καθώς κοιτάζετε μακρύτερα στο διάστημα, ο χώρος θα πρέπει να υποχωρεί 67,4 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο πιο γρήγορα για κάθε megaparsec απόστασης, όπως ακριβώς δύο σημάδια Sharpie σε ένα διαστελλόμενο μπαλόνι διαχωρίζονται πιο γρήγορα όσο πιο μακριά είναι. Οι μετρήσεις άλλων χαρακτηριστικών του πρώιμου σύμπαντος που ονομάζονται «ακουστικές ταλαντώσεις βαρυονίου» δίνουν ακριβώς την ίδια πρόβλεψη:H0 =67,4. Ωστόσο, οι παρατηρήσεις του πραγματικού σύμπαντος από την ομάδα του Riess υποδηλώνουν για έξι χρόνια ότι η πρόβλεψη είναι άκυρη.
Εκείνο το πρωί του Ιουλίου σε ένα δωμάτιο με εμπόδια θέα στον Ειρηνικό, ο Riess φαινόταν να έχει στο στόχαστρό του ένα δεύτερο βραβείο Νόμπελ. Ανάμεσα στους 100 ειδικούς στο πλήθος — προσκεκλημένους εκπροσώπους όλων των μεγάλων κοσμολογικών έργων, μαζί με θεωρητικούς και άλλους ενδιαφερόμενους ειδικούς — κανείς δεν μπορούσε να αρνηθεί ότι οι πιθανότητες επιτυχίας του είχαν βελτιωθεί δραματικά την προηγούμενη Παρασκευή.
Πριν από το συνέδριο, μια ομάδα κοσμολόγων που αποκαλούν τους εαυτούς τους H0LiCOW δημοσίευσαν τη νέα τους μέτρηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος. Υπό το φως έξι μακρινών κβάζαρ, το H0LiCOW προσδέθηκε στο H0 στα 73,3 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec — σημαντικά υψηλότερη από την πρόβλεψη του Planck. Αυτό που είχε σημασία ήταν πόσο κοντά έπεσε το 73,3 του H0LiCOW σε μετρήσεις H0 από SH0ES — η ομάδα με επικεφαλής τον Riess. Το SH0ES μετρά την κοσμική διαστολή χρησιμοποιώντας μια «σκάλα κοσμικής απόστασης», μια σταδιακή μέθοδο μέτρησης κοσμολογικών αποστάσεων. Η τελευταία μέτρηση του SH0ES τον Μάρτιο εντόπισε το H0 στο 74,0, πολύ εντός των ορίων σφάλματος του H0LiCOW.
«Η καρδιά μου ήταν φουντωτή», μου είπε ο Riess, για την πρώτη ματιά του στο αποτέλεσμα του H0LiCOW δύο εβδομάδες πριν από τη Σάντα Μπάρμπαρα.
Για έξι χρόνια, η ομάδα SH0ES ισχυριζόταν ότι είχε βρει μια ασυμφωνία με τις προβλέψεις που βασίζονταν στο πρώιμο σύμπαν. Τώρα, οι συνδυασμένες μετρήσεις SH0ES και H0LiCOW έχουν ξεπεράσει ένα στατιστικό όριο γνωστό ως "πέντε σίγμα", το οποίο συνήθως σημαίνει μια ανακάλυψη νέας φυσικής. Αν η σταθερά Hubble δεν είναι 67 αλλά στην πραγματικότητα 73 ή 74, τότε κάτι λείπει από το ΛCDM — κάποιος παράγοντας που επιταχύνει την κοσμική διαστολή. Αυτό το επιπλέον συστατικό που προστέθηκε στο γνωστό μείγμα ύλης και ενέργειας θα έδινε μια πλουσιότερη κατανόηση της κοσμολογίας από ό,τι παρέχει η μάλλον ήπια θεωρία ΛCDM.
Κατά τη διάρκεια της ομιλίας του, ο Riess είπε για το χάσμα μεταξύ 67 και 73, «Αυτή η διαφορά φαίνεται να είναι ισχυρή».
«Ξέρω ότι το ονομάζαμε «διαρκή ένταση του Hubble», πρόσθεσε, «αλλά επιτρέπεται να το ονομάσουμε ακόμη πρόβλημα;»
Έθεσε την ερώτηση στον άλλο βραβευμένο με Νόμπελ Ντέιβιντ Γκρος, σωματιδιακό φυσικό και πρώην διευθυντή του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής Kavli (KITP), όπου πραγματοποιήθηκε το συνέδριο.
«Δεν θα το λέγαμε ένταση ή πρόβλημα, αλλά μάλλον κρίση», είπε ο Γκρος.
"Τότε είμαστε σε κρίση."
Για όσους προσπαθούν να κατανοήσουν το σύμπαν, μια κρίση είναι η ευκαιρία να ανακαλύψουν κάτι μεγάλο. Ο Lloyd Knox, μέλος της ομάδας Planck, μίλησε μετά τον Riess. «Ίσως η συνεχής ένταση του Hubble να είναι η συναρπαστική κατάρρευση του ΛCDM που όλοι ήμασταν ή πολλοί από εμάς περιμέναμε και ελπίζουμε», είπε.
Το Hubble Constant Surd
Όταν τελείωσαν οι συνομιλίες για την ημέρα, πολλοί από τους παρευρισκόμενους στοιβάστηκαν σε ένα φορτηγό με προορισμό το ξενοδοχείο. Οδηγήσαμε μπροστά από φοίνικες με τον ωκεανό στα δεξιά και τα βουνά Santa Ynez στα αριστερά. Η Wendy Freedman, μια διακοσμημένη σταθερή βετεράνος του Hubble, σκαρφαλωμένη στη δεύτερη σειρά. Μια αδύνατη, ήρεμη γυναίκα 62 ετών, η Freedman ηγήθηκε της ομάδας που έκανε την πρώτη μέτρηση του H0 με ακρίβεια 10%, φτάνοντας στο αποτέλεσμα 72 το 2001.
Ο οδηγός, ένας νεαρός, γενειοφόρος Καλιφορνέζος, άκουσε για το πρόβλημα του Hubble και το ζήτημα του πώς να το αποκαλέσει. Αντί για ένταση, πρόβλημα ή κρίση, πρότεινε «surd», που σημαίνει παράλογο ή παράλογο. Το σταθερό αιφνίδιο του Hubble.
Ο Freedman, ωστόσο, φαινόταν λιγότερο ζαλισμένος από τον μέσο συμμετέχοντα στο συνέδριο σχετικά με τη φαινομενική ασυμφωνία και δεν ήταν έτοιμος να το αποκαλέσει αληθινό. «Έχουμε περισσότερη δουλειά να κάνουμε», είπε ήσυχα, σχεδόν εκστομίζοντας τις λέξεις.
Ο Freedman πέρασε δεκαετίες βελτιώνοντας το H0 μετρήσεις με τη μέθοδο της κλίμακας κοσμικής απόστασης. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, βαθμονομούσε τα σκαλοπάτια της σκάλας της χρησιμοποιώντας αστέρια κηφειδών - τα ίδια παλλόμενα αστέρια γνωστής φωτεινότητας που το SH0ES χρησιμοποιεί επίσης ως «τυπικά κεριά» στη σκάλα της κοσμικής απόστασης. Αλλά ανησυχεί για άγνωστες πηγές λάθους. "Ξέρει πού είναι θαμμένοι όλοι οι σκελετοί", είπε ο Barry Madore, ο σύζυγος του Freedman με τα λευκά μουστάκια και στενός συνεργάτης του, ο οποίος κάθισε μπροστά δίπλα στον οδηγό.
Ο Freedman είπε ότι αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο εκείνη, η Madore και το Πρόγραμμα Hubble Carnegie-Chicago (CCHP) ξεκίνησαν πριν από αρκετά χρόνια να χρησιμοποιήσουν τα αστέρια της «άκρης του κόκκινου κλάδου γίγαντα» (TRGBs) για να βαθμονομήσουν μια νέα κλίμακα κοσμικής απόστασης. Τα TRGB είναι αυτά στα οποία μετατρέπονται για λίγο αστέρια όπως ο ήλιος μας στο τέλος της ζωής τους. Φουσκωμένα και κόκκινα, γίνονται όλο και πιο φωτεινά μέχρι να φτάσουν σε μια χαρακτηριστική μέγιστη φωτεινότητα που προκαλείται από την ξαφνική ανάφλεξη του ηλίου στους πυρήνες τους. Οι Freedman, Madore και Myung Gyoon Lee επεσήμαναν για πρώτη φορά το 1993 ότι αυτοί οι κορυφαίοι κόκκινοι γίγαντες μπορούν να χρησιμεύσουν ως τυπικά κεριά. Τώρα ο Φρίντμαν τους είχε βάλει στη δουλειά. Καθώς ξεφορτώναμε από το βαν, τη ρώτησα για την προγραμματισμένη ομιλία της. «Είναι η δεύτερη συζήτηση μετά το μεσημεριανό γεύμα αύριο», είπε.
«Να είστε εκεί», είπε η Madore, με μια λάμψη στα μάτια, καθώς χωρίζαμε τους δρόμους μας.
Όταν έφτασα στο δωμάτιο του ξενοδοχείου μου και έλεγξα το Twitter, διαπίστωσα ότι όλα είχαν αλλάξει. Ο Freedman, η Madore και η εφημερίδα της ομάδας τους CCHP μόλις έπεσε. Χρησιμοποιώντας αστέρια κορυφαίου κόκκινου-γίγαντα, είχαν κολλήσει τη σταθερά του Hubble στο 69,8 — ιδιαίτερα λιγότερο από τη μέτρηση 74,0 του SH0ES χρησιμοποιώντας κηφείδες και το 73,3 του H0LiCOW από κβάζαρ, και περισσότερο από τα μισά της πρόβλεψης 67,4 του Planck. «Το Σύμπαν απλώς μας μπλέκει σε αυτό το σημείο, σωστά;» ένας αστροφυσικός έγραψε στο Twitter. Τα πράγματα ήταν άβολα.
Ο Dan Scolnic, ένα νεαρό μέλος του SH0ES με γυαλιά που εδρεύει στο Πανεπιστήμιο Duke, είπε ότι αυτός, ο Riess και δύο άλλα μέλη της ομάδας είχαν συναντηθεί, «προσπαθώντας να καταλάβουν τι υπήρχε στην εφημερίδα. Έπειτα, ο Άνταμ και εγώ πήγαμε για δείπνο και ήμασταν αρκετά μπερδεμένοι, γιατί σε ό,τι είχαμε δει μέχρι τώρα, οι κηφείδες και οι TRGB συμφωνούσαν πολύ καλά."
Σύντομα συμμετείχαν στη βασική αλλαγή στο χαρτί:έναν νέο τρόπο μέτρησης των επιπτώσεων της σκόνης κατά τη μέτρηση της εγγενούς φωτεινότητας των TRGB - το πρώτο σκαλί της κλίμακας κοσμικής απόστασης. «Είχαμε πολλές ερωτήσεις σχετικά με αυτή τη νέα μέθοδο», είπε ο Scolnic. Όπως και άλλοι συμμετέχοντες διάσπαρτοι στο Best Western Plus, περίμεναν με ανυπομονησία την ομιλία του Freedman την επόμενη μέρα. Ο Scolnic έγραψε στο Twitter:"Το αύριο θα είναι ενδιαφέρον."
Για να δημιουργήσετε μια σκάλα απόστασης
Ένταση , πρόβλημα , κρίση , surd — υπήρξε μια σταθερά Hubble κάτι για 90 χρόνια, από τότε που οι γραφές του Αμερικανού αστρονόμου Έντουιν Χαμπλ για τις αποστάσεις και τις ταχύτητες ύφεσης των γαλαξιών έδειξαν ότι το διάστημα και τα πάντα μέσα σε αυτό απομακρύνονται από εμάς (παρ' όλη την άρνηση του ίδιου του Χαμπλ να αποδεχθεί αυτό το συμπέρασμα). Μια από τις μεγαλύτερες κοσμολογικές ανακαλύψεις όλων των εποχών, η κοσμική διαστολή υποδηλώνει ότι το σύμπαν έχει μια πεπερασμένη ηλικία.
Ο λόγος της ταχύτητας ύφεσης ενός αντικειμένου προς την απόστασή του δίνει τη σταθερά του Hubble. Ωστόσο, ενώ είναι εύκολο να πούμε πόσο γρήγορα υποχωρεί ένα αστέρι ή ένας γαλαξίας - απλά μετρήστε τη μετατόπιση Doppler των συχνοτήτων του, ένα φαινόμενο παρόμοιο με μια σειρήνα που πέφτει στο βήμα καθώς το ασθενοφόρο απομακρύνεται - είναι πολύ πιο δύσκολο να πούμε την απόσταση ενός τσίμπημα φως στον νυχτερινό ουρανό.
Ήταν η Henrietta Leavitt, ένας από τους ανθρώπινους «υπολογιστές» στο Αστεροσκοπείο του Κολλεγίου του Χάρβαρντ, που ανακάλυψε το 1908 ότι τα αστέρια των κηφείδων πάλλονται με συχνότητα ανάλογη της φωτεινότητάς τους. Τα μεγάλα, φωτεινά κηφείδη πάλλονται πιο αργά από τα μικρά, αμυδρά (όπως ένα μεγάλο ακορντεόν είναι πιο δύσκολο να συμπιεστεί από ένα μικροσκοπικό). Και έτσι, από τους παλμούς ενός μακρινού κηφείδη, μπορείτε να διαβάσετε πόσο εγγενώς φωτεινό είναι. Συγκρίνετε το με το πόσο αχνό εμφανίζεται το αστέρι και μπορείτε να πείτε την απόστασή του — και την απόσταση του γαλαξία στον οποίο βρίσκεται.
Στη δεκαετία του 1920, το Hubble χρησιμοποίησε τους κηφείδες και το νόμο του Leavitt για να συμπεράνει ότι η Ανδρομέδα και άλλα «σπειροειδή νεφελώματα» (όπως ήταν γνωστά) είναι ξεχωριστοί γαλαξίες, πολύ πέρα από τον Γαλαξία μας. Αυτό αποκάλυψε για πρώτη φορά ότι ο Γαλαξίας δεν είναι ολόκληρο το σύμπαν - ότι το σύμπαν είναι, στην πραγματικότητα, αφάνταστα απέραντο. Στη συνέχεια, το Hubble χρησιμοποίησε κηφείδες για να συμπεράνει τις αποστάσεις από τους κοντινούς γαλαξίες, οι οποίοι σχεδιάστηκαν σε συνάρτηση με τις ταχύτητες τους, αποκάλυψαν την κοσμική διαστολή.
Το Hubble υπερεκτίμησε τον ρυθμό ως 500 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec, αλλά ο αριθμός μειώθηκε καθώς οι κοσμολόγοι χρησιμοποίησαν κηφείδες για να βαθμονομήσουν ολοένα και πιο ακριβείς κλίμακες κοσμικής απόστασης. Από τη δεκαετία του 1970 και μετά, ο διαπρεπής κοσμολόγος παρατήρησης και προστατευόμενος του Hubble, Allan Sandage, υποστήριξε ότι το H0 ήταν γύρω στα 50. Οι αντίπαλοί του ισχυρίστηκαν μια τιμή γύρω στο 100, με βάση διαφορετικές αστρονομικές παρατηρήσεις. Η βιτριολική συζήτηση 50 εναντίον 100 μαίνεται στις αρχές της δεκαετίας του '80, όταν ο Freedman, ένας νεαρός Καναδός που εργαζόταν ως μεταδιδακτορικός στα Αστεροσκοπεία Carnegie στην Πασαντένα της Καλιφόρνια, όπου εργαζόταν επίσης ο Sandage, ξεκίνησε να βελτιώσει τις κλίμακες κοσμικής απόστασης.
Για να δημιουργήσετε μια κλίμακα απόστασης, ξεκινάτε βαθμονομώντας την απόσταση από αστέρια γνωστής φωτεινότητας, όπως οι κηφείδες. Αυτά τα τυπικά κεριά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρήσουν τις αποστάσεις από τους πιο αμυδρούς κηφείδες σε πιο απομακρυσμένους γαλαξίες. Αυτό δίνει τις αποστάσεις των «σουπερνόβα τύπου 1a» στους ίδιους γαλαξίες — προβλέψιμες αστρικές εκρήξεις που χρησιμεύουν τόσο πιο φωτεινά, αν και πιο σπάνια, τυπικά κεριά. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείτε αυτά τα σουπερνόβα για να μετρήσετε τις αποστάσεις από εκατοντάδες μακρινά σουπερνόβα, σε γαλαξίες που κινούνται ελεύθερα στο ρεύμα της κοσμικής επέκτασης, γνωστό ως «ροή Hubble». Αυτά είναι τα σουπερνόβα των οποίων η αναλογία ταχύτητας προς απόσταση δίνει H0 .
Όμως, παρόλο που η αχνότητα ενός τυπικού κεριού υποτίθεται ότι δείχνει την απόστασή του, η σκόνη μειώνει επίσης τα αστέρια, κάνοντάς τα να φαίνονται πιο μακριά από ό,τι είναι. Ο συνωστισμός από άλλα αστέρια μπορεί να τα κάνει να φαίνονται πιο φωτεινά (και επομένως πιο κοντά). Επιπλέον, ακόμη και τα υποτιθέμενα αστέρια τυπικού κεριού έχουν εγγενείς παραλλαγές λόγω ηλικίας και μεταλλικότητας που πρέπει να διορθωθούν. Ο Freedman επινόησε νέες μεθόδους για να αντιμετωπίσει πολλές πηγές συστηματικών σφαλμάτων. Όταν άρχισε να παίρνει H0 αξίες υψηλότερες από του Sandage, έγινε ανταγωνιστικός. «Για αυτόν, ήμουν μια νεαρή αρχάριος», μου είπε το 2017. Ωστόσο, τη δεκαετία του '90 συγκέντρωσε και οδήγησε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble Key Project, μια αποστολή να χρησιμοποιήσει το νέο τηλεσκόπιο Hubble για τη μέτρηση αποστάσεων από κηφείδες και σουπερνόβα με μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ. Το H0 Η τιμή 72 που δημοσίευσε η ομάδα της το 2001 χώρισε τη διαφορά στη συζήτηση 50 έναντι 100.
Ο Freedman διορίστηκε διευθυντής του Carnegie Observatories δύο χρόνια αργότερα, και έγινε το αφεντικό της Sandage. Εκείνη ήταν ευγενική και εκείνος μαλάκωσε. Αλλά «μέχρι την ημέρα του θανάτου του», είπε, «πίστευε ότι η σταθερά Hubble είχε πολύ χαμηλή τιμή».
Λίγα χρόνια μετά τη μέτρηση του Freedman με ακρίβεια 72 έως 10%, ο Riess, ο οποίος είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, μπήκε στο παιχνίδι κοσμικής απόστασης, ξεκινώντας να καρφώσει το H0 εντός 1% με την ελπίδα να κατανοήσει καλύτερα τη σκοτεινή ενέργεια που είχε συνανακαλύψει. Από τότε, η ομάδα του SH0ES έχει σταθερά σφίξει τα σκαλοπάτια της σκάλας — ειδικά το πρώτο και πιο σημαντικό:το βήμα βαθμονόμησης. Όπως το έθεσε ο Riess, «Πόσο μακριά είναι τίποτα; Μετά από αυτό, η ζωή γίνεται πιο εύκολη. μετράς σχετικά πράγματα». Το SH0ES χρησιμοποιεί επί του παρόντος πέντε ανεξάρτητους τρόπους μέτρησης των αποστάσεων από τους βαθμονομητές κεφειδών τους. «Όλοι συμφωνούν πολύ καλά και αυτό μας δίνει μεγάλη αυτοπεποίθηση», είπε. Καθώς συνέλεγαν δεδομένα και βελτίωναν την ανάλυσή τους, οι ράβδοι σφαλμάτων εμφανίζονται γύρω από το H0 μειώθηκε στο 5% το 2009, μετά στο 3,3%, μετά στο 2,4%, στη συνέχεια στο 1,9% τον Μάρτιο.
Εν τω μεταξύ, από το 2013, οι ολοένα και πιο ακριβείς επαναλήψεις της ομάδας Planck του χάρτη υποβάθρου των κοσμικών μικροκυμάτων της επέτρεψαν να προεκβάλει την τιμή για το H0 πάντα ακριβέστερα. Στην ανάλυσή του το 2018, ο Planck βρήκε το H0 να είναι 67,4 με ακρίβεια 1%. Με το Planck και το SH0ES να απέχουν περισσότερο από «τέσσερα σίγμα», προέκυψε μια απελπιστική ανάγκη για ανεξάρτητες μετρήσεις.
Ο Tommaso Treu, ένας από τους ιδρυτές του H0LiCOW και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Λος Άντζελες, ονειρευόταν από τα φοιτητικά του χρόνια στην Πίζα να μετρήσει τη σταθερά Hubble χρησιμοποιώντας κοσμογραφία χρονικής καθυστέρησης - μια μέθοδο που παρακάμπτει τα σκαλοπάτια του κοσμικού σκάλα απόσταση συνολικά. Αντίθετα, καθορίζετε άμεσα την απόσταση από τα κβάζαρ - τα τρεμοπαίζουν, λαμπερά κέντρα των μακρινών γαλαξιών - μετρώντας επιμελώς τη χρονική καθυστέρηση μεταξύ των διαφορετικών εικόνων ενός κβάζαρ που σχηματίζονται καθώς το φως του κάμπτεται γύρω από την παρεμβαλλόμενη ύλη.
Αλλά ενώ ο Treu και οι συνάδελφοί του συνέλεγαν δεδομένα κβάζαρ, ο Freedman, η Madore και οι απόφοιτοι φοιτητές και οι μεταδιδάκτορες τους περιστρέφονταν σε αστέρια του κορυφαίου κόκκινου-γίγαντα. Ενώ οι Κηφείδες είναι νέοι και βρίσκονται στα πολυσύχναστα, σκονισμένα κέντρα των γαλαξιών, τα TRGB είναι παλιά και κατοικούν σε καθαρά γαλαξιακά περίχωρα. Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble για να παρατηρήσει αστέρια TRGB σε 15 γαλαξίες που περιέχουν επίσης σουπερνόβα τύπου 1a, η ομάδα CCHP του Freedman κατάφερε να επεκτείνει τη σκάλα της σε σουπερνόβα στη ροή του Hubble και να μετρήσει το H0 , ως πρόσθετο σημείο σύγκρισης για το 67.4 του Planck και το 74.0 του SH0ES.
«Σε κάποιο επίπεδο, υποθέτω ότι η προσδοκία στο μυαλό σας είναι:«Εντάξει, θα βγεις με τον ένα ή τον άλλο τρόπο», σωστά;» μου είπε ο Φρίντμαν. «Και κάπως… πέφτεις στη μέση. Και, «Ω! Αυτό είναι ενδιαφέρον. Εντάξει.’ Και από εκεί βγήκαμε.”
Κόλλησα στη μέση
Ο συνάδελφός μου στο φορτηγό το πρωί μετά την πτώση της εφημερίδας του Freedman ήταν ένας θεωρητικός ονόματι Francis-Yan Cyr-Racine, από το Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού. Νωρίτερα φέτος, αυτός, η Λίζα Ράνταλ του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ και άλλοι πρότειναν μια πιθανή λύση στη συνεχή ένταση του Χαμπλ. Η ιδέα τους - ένα νέο, βραχύβιο πεδίο απωστικής ενέργειας στο πρώιμο σύμπαν - θα επιτάχυνε την κοσμική διαστολή, ταιριάζοντας τις προβλέψεις με τις παρατηρήσεις, αν και αυτή και όλες οι άλλες προτεινόμενες διορθώσεις θεωρούν τους ειδικούς ως λίγο επινοημένες.
Όταν ανέφερα το χαρτί του Freedman, ο Cyr-Racine δεν φαινόταν έκπληκτος. «Είναι μάλλον 70», είπε για το H0 — που σημαίνει ότι πιστεύει ότι οι προβλέψεις του πρώιμου σύμπαντος και οι σημερινές παρατηρήσεις μπορεί τελικά να συγκλίνουν στη μέση και το ΛCDM θα αποδειχθεί ότι λειτουργεί καλά. (Αργότερα είπε ότι αστειευόταν.)
Στην αίθουσα του σεμιναρίου, ο Barry Madore κάθισε δίπλα μου και έναν άλλο δημοσιογράφο και ρώτησε, "Λοιπόν, πού πιστεύεις ότι κατευθύνονται όλα αυτά;" Προφανώς μέχρι τη μέση. «Ξέρεις αυτό το τραγούδι, «Στακ στη μέση μαζί σου;»», είπε. «Ξέρεις τους στίχους από πριν; «Κλόουν στα αριστερά μου, τζόκερ στα δεξιά. Εδώ είμαι, κολλημένος στη μέση μαζί σου.»
Ένα άλλο curveball ήρθε πριν από το μεσημεριανό γεύμα. Ο Mark Reid του Κέντρου Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν παρουσίασε νέες μετρήσεις τεσσάρων μέιζερ —φαινόμενα σαν λέιζερ σε γαλαξίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό αποστάσεων— που είχε πραγματοποιήσει τις προηγούμενες εβδομάδες. Συνδυασμένα, τα μέιζερ πρόσδεσαν το H0 στο 74,8, δώσε ή πάρε 3,1. Ο Adam Riess τράβηξε μια φωτογραφία της διαφάνειας. Ο Scolnic έγραψε στο Twitter:«Αυτή η εβδομάδα είναι πάρα πολύ. Πήγαινε σπίτι H0, είσαι μεθυσμένος."
Όταν μίλησα με τον Riess κατά τη διάρκεια του μεσημεριανού διαλείμματος, φαινόταν συγκλονισμένος από όλες τις νέες μετρήσεις. Για αρκετά χρόνια, είπε, αυτός και οι συνάδελφοί του στο SH0ES είχαν «κολλήσει έξω» τον ισχυρισμό μιας ασυμφωνίας με τη σταθερή τιμή Hubble του Planck. «Εκείνη την εποχή, ήταν ένταση και ήταν ασυμφωνία, και, ξέρετε, είχαμε επίσης μεγάλη θλίψη για αυτό», είπε. Αλλά σε δύο εβδομάδες, είχε περάσει από το «αισθάνεται αρκετά μόνος» σε τρεις νέους αριθμούς για να εξετάσει. Συνολικά, είπε ο Riess, «η ένταση γίνεται μεγαλύτερη επειδή, ξέρετε, κανείς δεν βγαίνει κάτω από την τιμή Planck». Αν όλα ήταν λάθος, γιατί ορισμένες ομάδες δεν μέτρησαν ρυθμό επέκτασης 62 ή 65;
Όσο για αυτό το 69,8, η Riess είχε ερωτήσεις σχετικά με τη μέθοδο του Freedman για τη βαθμονόμηση της πρώτης βαθμίδας της κλίμακας απόστασης χρησιμοποιώντας TRGB στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου. «Τώρα το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου δεν είναι γαλαξίας. είναι σύννεφο. Είναι ένα σκονισμένο, άμορφο πράγμα», είπε ο Riess. «Αυτή είναι η μεγάλη ειρωνεία του. Πήγαν στα TRGB για να ξεφύγουν από τη σκόνη», αλλά πρέπει να τα βαθμονομήσουν κάπου - «δηλαδή, πρέπει να διαλέξουν μερικά TRGB όπου λένε ότι γνωρίζουμε την απόσταση με κάποια άλλη μέθοδο. Και το μόνο μέρος που το έχουν κάνει αυτό είναι το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου.»
Μια ώρα αργότερα, ο Freedman, που έδειχνε γαλήνιος με μια φούστα με λουλούδια, έκανε την υπόθεση της. "Αν βάλουμε όλα τα αυγά μας στο καλάθι των κηφείδων, δεν θα αποκαλύψουμε ποτέ τους άγνωστους", είπε.
Εξήγησε ότι αυτή και οι συνάδελφοί της είχαν χρησιμοποιήσει τα TRGB στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου ως βαθμονομητές τους, επειδή η απόσταση του νέφους έχει μετρηθεί με εξαιρετική ακρίβεια με πολλούς τρόπους. Και χρησιμοποίησαν μια νέα προσέγγιση για να διορθώσουν την επίδραση της σκόνης στη φωτεινότητα των TRGB - μια προσέγγιση που χρησιμοποίησε τα ίδια τα αστέρια, αξιοποιώντας τις αλλαγές στη φωτεινότητά τους ως συνάρτηση του χρώματος. Σημείωσε ότι τα ζευγαρωμένα TRGB και σουπερνόβα της, στο δεύτερο σκαλί της κλίμακας της απόστασης της, παρουσιάζουν λιγότερη διακύμανση από τα ζευγαρωμένα κηφείδη και σουπερνόβα της Riess, υποδηλώνοντας ότι η μέτρηση της σκόνης της μπορεί να είναι πιο ακριβής.
Ο Freedman τόνισε κατά τη διάρκεια της συζήτησης ότι χρειάζονται ακόμα καλύτερες μετρήσεις για να αποκλειστούν συστηματικά σφάλματα. «Νομίζω ότι εκεί είμαστε», είπε. "Αυτό είναι απλώς πραγματικότητα."
Από εδώ, η συζήτηση μετατράπηκε σε έναν αγώνα αγώνα μεταξύ του Freedman και του Riess. «Γουέντι, για να απαντήσω στην ερώτησή σου», είπε η Ρις, αν και δεν είχε ρωτήσει ούτε ένα, «έχουν παρουσιαστεί πέντε αρκετά ανεξάρτητα αποτελέσματα μέχρι στιγμής. Το όνειρο να φτάσουμε εκεί είναι — να φτάσουμε εκεί.»
Το δωμάτιο όπου συμβαίνει
Ο Scolnic, ο επιστήμονας του SH0ES και συνεργάτης του Riess, πρότεινε να πάμε έξω. Καθίσαμε σε ένα ηλιόλουστο παγκάκι κοντά στο κτήριο με γυψομάρμαρο με ροδακινί. Ένα αλμυρό αεράκι φύσηξε από τον Ειρηνικό. «Σίγουρα μια μέρα διαφορετική από οποιαδήποτε μέρα που έχω ζήσει», είπε.
Το νέο αποτέλεσμα του H0LiCOW τον ένιωθε σαν πριν από ένα χρόνο, όπως και τα TRGB του Freedman και τα μέιζερ του Reid. «Αυτές είναι τρεις μεγάλες επιτυχίες την τελευταία εβδομάδα. Και δεν ξέρω πραγματικά πού βρισκόμαστε», είπε. Ακόμα κι αν η διαφορά είναι πραγματική, «δεν υπάρχει καλή ιστορία τώρα που να εξηγεί τα πάντα, από την πλευρά της θεωρίας ή της παρατήρησης. Και αυτό είναι που το κάνει τόσο αινιγματικό.»
"Στο "Hamilton"-speak", είπε, "αυτό είναι το δωμάτιο όπου συμβαίνει αυτή τη στιγμή."
Ο Freedman εμφανίστηκε από την κατεύθυνση των μπλόφες με θέα στον ωκεανό.
«Γεια σου, Γουέντι», είπε ο Σκόλνικ. «Γουέντυ, απλώς έλεγα, δεν μοιάζει με το δωμάτιο όπου συμβαίνει, στο «Hamilton»; Όπως, ως μικρό παιδί, δεν θα θέλατε να είστε σε αυτό το δωμάτιο;»
«Δεν είναι εδώ που θέλουμε να είμαστε;» είπε ο Φρίντμαν. «Δουλεύουμε σε αρκετά εκπληκτικά δεδομένα. Πράγματα που μας λένε κάτι για το πώς εξελίσσεται το σύμπαν.»
«Και οι αριθμοί είναι τόσο κοντά. μαλώνουμε για λίγο τοις εκατό», είπε ο Scolnic. "Παρ' όλο το κοινωνιολογικό δράμα, είναι αστείο ότι είναι περίπου 3 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec."
"Έχετε τη σωστή στάση", είπε ο Freedman.
Ήταν ώρα να παρευρεθούν στο δείπνο του συνεδρίου, οπότε πήγαν να βρουν πώς να επιστρέψουν στο κτίριο, το οποίο ήταν κλειδωμένο μετά από ώρες.
Νέα Φυσική
Η τρίτη ημέρα έφερε δύο νέες μετρήσεις της σταθεράς Hubble:Μια κοσμική κλίμακα απόστασης βαθμονομημένη με αστέρια "Mira" έδωσε 73,6 και οι διακυμάνσεις φωτεινότητας της επιφάνειας του γαλαξία έδωσαν 76,5, και τα δύο συν ή πλην 4. Ο Adam Riess τράβηξε περισσότερες φωτογραφίες και μέχρι το τέλος του ημέρα που είχε δημιουργηθεί ένα οικόπεδο που αντικατοπτρίζει όλες τις υπάρχουσες μετρήσεις.
Οι δύο προβλέψεις του πρώιμου σύμπαντος περιείχαν την αριστερή πλευρά του σχεδίου, με σφιχτές γραμμές σφάλματος γύρω στο 67,4. Πέντε μετρήσεις του όψιμου σύμπαντος παρατάχθηκαν στα δεξιά, γύρω στο 73 ή 74. Και εκεί στη μέση ήταν το 69,8 του Freedman, το κλειδί στα έργα, η τρύπα στην αφήγηση, η οδυνηρή συμβιβαστική πρόταση ότι όλες οι μετρήσεις θα μπορούσαν να ενωθούν στο τέλος, αφήνοντάς μας τα μυστήρια του ΛCDM και τίποτα νέο να πούμε για τη φύση.
Και πάλι, όλες οι μετρήσεις του όψιμου σύμπαντος του H0 , ακόμη και του Freedman’s, πέφτουν στα δεξιά του 67,4. Οι λανθασμένες μετρήσεις θα πρέπει να βγαίνουν χαμηλά αλλά και υψηλά. Ίσως λοιπόν η απόκλιση είναι πραγματική.
Ο τελευταίος ομιλητής, ο Cyr-Racine, διεξήγαγε ψηφοφορία σχετικά με το πώς θα έπρεπε να ονομάζεται η διαφορά. Οι περισσότεροι ψήφισαν για «ένταση» ή «πρόβλημα». Ο Graeme Addison, ειδικός στις ακουστικές ταλαντώσεις του βαρυονίου, είπε σε ένα email μετά το συνέδριο:«Η αίσθησή μου είναι ότι η ασυμφωνία του Hubble είναι ένα πραγματικό πρόβλημα και ότι κάπου μας λείπει κάποια σημαντική φυσική. Αλλά οι λύσεις που έχουν συγκεντρώσει οι άνθρωποι μέχρι στιγμής δεν είναι εξαιρετικά πειστικές."
Ο Addison βρίσκει τη συνοχή των H0LiCOW και SH0ES ιδιαίτερα συναρπαστική. Και παρόλο που η εργασία του Freedman πρότεινε «ότι οι αβεβαιότητες που σχετίζονται με τους κηφείδες SH0ES μπορεί να έχουν υποτιμηθεί», είπε ότι υπάρχουν επίσης ερωτήματα σχετικά με τη βαθμονόμηση TRGB στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου. Ο Freedman ισχυρίζεται ότι βελτίωσε τη μέτρηση της σκόνης, αλλά ο Riess και οι συνεργάτες του το αμφισβητούν.
Την περασμένη Δευτέρα, σε μια εφημερίδα που δημοσιεύτηκε στο arxiv.org, η Riess και η εταιρεία υποστήριξαν ότι η βαθμονόμηση των TRGB από την Freedman και την ομάδα της βασιζόταν σε ορισμένα τηλεσκοπικά δεδομένα χαμηλής ανάλυσης. Έγραψαν ότι η εναλλαγή του με δεδομένα υψηλότερης ανάλυσης θα αύξανε το H0 υπολογίστε από 69,8 έως 72,4 — στο εύρος των μετρήσεων SH0ES, H0LiCOW και άλλων μετρήσεων του όψιμου σύμπαντος. Σε απάντηση, η Freedman είπε:«Φαίνεται να υπάρχουν κάποια πολύ σοβαρά ελαττώματα στην ερμηνεία τους» της μεθόδου βαθμονόμησης της ομάδας της. Αυτή και οι συνάδελφοί της έχουν ξανακάνει τη δική τους ανάλυση χρησιμοποιώντας τα νεότερα δεδομένα και, έγραψε σε ένα email, «ΔΕΝ βρίσκουμε αυτό που ισχυρίζονται [ο Riess και οι συγγραφείς]».
Εάν τα τέσσερα νέα H0 Οι μετρήσεις στα δεξιά δεν φαίνεται να ξεπερνούν τη μεσαία αξία της Freedman στο μυαλό ορισμένων ανθρώπων, οφείλεται εν μέρει στη συνηθισμένη της ταπεινότητα. Επιπλέον, «είναι εξαιρετικά σεβαστή και έχει τη φήμη ότι κάνει σχολαστική και ενδελεχή δουλειά», είπε ο Daniel Holz, ένας αστροφυσικός από το Σικάγο που χρησιμοποιεί τις συγκρούσεις άστρων νετρονίων ως «τυποποιημένες σειρήνες», μια πολλά υποσχόμενη νέα τεχνική για τη μέτρηση του H0 .
Εν τω μεταξύ, η επόμενη δημοσιοποίηση δεδομένων από το διαστημικό τηλεσκόπιο Gaia, που αναμένεται σε δύο ή τρία χρόνια, θα επιτρέψει στους ερευνητές να βαθμονομήσουν γεωμετρικά τους κηφείδες και τα TRGB με βάση την παράλλαξή τους ή πόσο μακριά φαίνονται μεταξύ τους από διαφορετικές θέσεις στον ουρανό. Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, ο διάδοχος του Hubble, θα αποφέρει επίσης μια πηγή νέων και καλύτερων δεδομένων όταν εκτοξευτεί το 2021. Οι κοσμολόγοι θα γνωρίζουν την τιμή του H0 — πιθανότατα μέσα στη δεκαετία — και αν εξακολουθεί να υπάρχει ασυμφωνία με τις προβλέψεις, μέχρι το τέλος της δεκαετίας θα μπορούσαν να είναι σε καλό δρόμο για να ανακαλύψουν το γιατί. Θα ξέρουν ότι πρόκειται για ένταση ή κρίση και όχι περίεργο.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις TheAtlantic.com .
