Kozmoloji bir dönüm noktasında – yeni fizik keşfetmenin eşiğinde olabiliriz

Son birkaç yıldır, bir dizi tartışma, köklü kozmoloji alanını sarstı. Özetle, evrenin standart modelinin öngörüleri, bazı yeni gözlemlerle çelişiyor gibi görünüyor.

Bu gözlemlerin önyargılı olup olmadığı veya tüm evrenin yapısını ve evrimini öngören kozmolojik modelin yeniden düşünülmesi gerekip gerekmediği konusunda hararetli tartışmalar var. Hatta bazıları şunu iddia ediyor: kozmoloji krizde. Şu anda hangi tarafın kazanacağını bilmiyoruz. Ama heyecan verici bir şekilde, bunu öğrenmenin eşiğindeyiz.

Adil olmak gerekirse, tartışmalar bilimsel yöntemin normal seyridir. Ve uzun yıllar boyunca, standart kozmolojik model bunlardan payını aldı. Bu model, evrenin %68,3 “karanlık enerji”den (evrenin genişlemesinin hızlanmasına neden olan bilinmeyen bir madde), %26,8 karanlık maddeden (bilinmeyen bir madde biçimi) ve %4,9 sıradan atomlardan oluştuğunu, Büyük Patlama’dan gelen radyasyonun art parıltısı olan kozmik mikrodalga arka planından çok hassas bir şekilde ölçüldüğünü ileri sürer.

Çok başarılı bir şekilde açıklıyor çok sayıda veri evrenin hem büyük hem de küçük ölçeklerinde. Örneğin, etrafımızdaki galaksilerin dağılımı ve evrenin ilk birkaç dakikasında üretilen helyum ve döteryum miktarı gibi şeyleri açıklayabilir. Belki de en önemlisi, kozmik mikrodalga arka planını da mükemmel bir şekilde açıklayabilir.

Bu, ona “uyum modeli” ünvanını kazandırdı. Ancak tutarsız ölçümlerin oluşturduğu mükemmel fırtına -veya kozmolojide bilindiği gibi “gerilimler”), bu uzun süredir var olan modelin geçerliliğini sorgulatıyor.

Rahatsız edici gerginlikler

Standart model, karanlık enerji ve karanlık maddenin doğası hakkında belirli varsayımlarda bulunur. Ancak onlarca yıllık yoğun gözlemlere rağmen, karanlık madde ve karanlık enerjinin neyden oluştuğunu çözmeye hâlâ yaklaşmış gibi görünmüyoruz.

Turnusol testi, Hubble gerilimi olarak adlandırılan şeydir. Bu, evrenin şu anki genişleme oranı olan Hubble sabitiyle ilgilidir. Yakınımızdaki yerel evrende, Cepheid adı verilen yakın galaksilerdeki titreşen yıldızlara olan mesafeden ölçüldüğünde, değeri 73 km/s/Mega parsektir (Mpc, galaksiler arası uzaydaki mesafeler için bir ölçü birimidir). Ancak, teorik olarak tahmin edildiğinde, değer 67,4 km/s/Mpc’dir. Fark büyük olmayabilir (sadece %8), ancak istatistiksel olarak anlamlıdır.

Hubble gerginliği yaklaşık on yıl önce biliniyordu. O zamanlar, gözlemlerin önyargılı olabilirÖrneğin, Cepheidler çok parlak ve görülmesi kolay olmalarına rağmen, diğer yıldızlarla bir araya toplanmışlardı ve bu da onları daha da parlak gösterebilirdi. Bu, Hubble sabitini model tahminine kıyasla birkaç yüzde daha yüksek hale getirebilirdi ve böylece yapay olarak bir gerginlik yaratabilirdi.

Yıldızları tek tek ayırabilen James Webb Uzay Teleskobu’nun (JWST) gelişiyle bu gerginliğe bir cevap bulacağımız umuluyordu.

Sinir bozucu bir şekilde, bu henüz gerçekleşmedi. Gökbilimciler artık Cepheidlerin yanı sıra iki tür yıldız daha kullanıyor (Kırmızı Dev Dalının Ucu yıldızları (TRGB) ve J-bölgesi Asimptotik Dev Dal (JAGB) yıldızları olarak bilinir). Ancak bir grup JAGB ve TRGB yıldızlarından gelen değerleri bildirirken, baştan çıkarıcı derecede yakın Kozmolojik modelden beklenen değere göre, başka bir grup, kendilerinin hala tutarsızlıklar görüyorum gözlemlerinde. Bu arada, Cepheid ölçümleri bir Hubble gerginliği göstermeye devam ediyor.

Bu ölçümlerin çok hassas olmasına rağmen, her ölçüm türüyle benzersiz bir şekilde ilişkilendirilen bazı etkilerden etkilenebileceklerini belirtmek önemlidir. Bu, her yıldız türü için gözlemlerin doğruluğunu farklı bir şekilde etkileyecektir. Hassas ama yanlış bir ölçüm, her zaman konuyu kaçıran biriyle sohbet etmeye çalışmak gibidir. Çelişkili veriler arasındaki anlaşmazlıkları çözmek için, hem kesin hem de doğru.

İyi haber şu ki Hubble gerginliği artık hızla gelişen bir hikaye. Belki de önümüzdeki yıl veya daha kısa bir süre içinde buna bir cevap bulabiliriz. Örneğin daha uzak galaksilerden gelen yıldızları dahil ederek verilerin doğruluğunu artırmak, bunu çözmeye yardımcı olacaktır. Benzer şekilde, uzay-zamandaki kütleçekim dalgaları olarak bilinen dalgalanmaların ölçümleri de bize yardımcı olabilecektir sabiti sabitlemek.

Tüm bunlar standart modeli doğrulayabilir. Ya da onda eksik bir şey olduğunu ima edebilir. Belki de karanlık maddenin doğası veya yer çekiminin belirli ölçeklerde davranış biçimi şu anda inandığımızdan farklıdır. Ancak modeli göz ardı etmeden önce, onun eşsiz hassasiyetine hayran olmak gerekir. 13 milyar yıllık evrimi genelleştirirken hedefi en fazla birkaç yüzde ıskalar.

Bunu bir perspektife oturtmak gerekirse, güneş sistemindeki gezegenlerin saat gibi hareketleri bile ancak güvenilir bir şekilde hesaplanabilir. 1 milyar yıldan az bir süredirbundan sonra tahmin edilemez hale gelirler. Standart kozmolojik model olağanüstü bir makinedir.

Hubble gerginliği kozmoloji için tek sorun değildir. “S8 gerginliği” olarak bilinen bir diğeri, aynı zamanda sorun yaratıyoraynı ölçekte olmasa da. Burada modelin bir düzgünlük sorunu var, evrendeki maddenin gerçekte gözlemlediğimizden daha fazla kümelenmiş olması gerektiğini tahmin ederek -yaklaşık %10 oranında. Maddenin “kümelenmesini” ölçmenin çeşitli yolları vardır, örneğin, görüş hattı boyunca müdahale eden varsayılan karanlık madde tarafından üretilen galaksilerden gelen ışıktaki bozulmaları analiz ederek.

Şu anda, toplulukta, kozmolojik modeli reddetmeden önce gözlemlerdeki belirsizliklerin giderilmesi gerektiği konusunda bir fikir birliği var gibi görünüyor. Bu gerginliği azaltmanın olası bir yolu, galaksilerdeki gazlı rüzgarların rolünü daha iyi anlamaktır; bu, maddenin bir kısmını dışarı iterek onu daha pürüzsüz hale getirebilir.

Küçük ölçeklerdeki kümelenme ölçümlerinin daha büyük ölçeklerdekilerle nasıl ilişkili olduğunu anlamak yardımcı olacaktır. Gözlemler ayrıca karanlık maddeyi modelleme şeklimizi değiştirmemiz gerektiğini de gösterebilir. Örneğin, standart modelin varsaydığı gibi tamamen soğuk, yavaş hareket eden parçacıklardan oluşmak yerine, karanlık madde bazı sıcak, hızlı hareket eden parçacıklarBu, geç kozmik zamanlarda kümeleşmenin büyümesini yavaşlatabilir ve bu da S8 gerginliğini hafifletebilir.

JWST, standart modele yönelik diğer zorlukları vurguladı. Bunlardan biri, erken galaksilerin beklenenden çok daha büyük görünüyorBazı galaksiler, Büyük Patlama’dan 1 milyar yıldan daha kısa bir süre sonra oluşmuş olmalarına rağmen, bugünkü Samanyolu kadar ağırlığa sahip olabilirler; bu da daha az kütleli olmaları gerektiğini düşündürmektedir.

Ancak, bu durumda kozmolojik modele karşı çıkarımlar daha az açıktır, çünkü bu şaşırtıcı sonuçlar için başka olası açıklamalar olabilir. Bu sorunu çözmenin anahtarı, galaksilerdeki yıldız kütlelerinin ölçümünü iyileştirmektir. Bunları doğrudan ölçmek yerine, ki bu mümkün değildir, bu kütleleri galaksilerin yaydığı ışıktan çıkarıyoruz.

Bu adım, kütlenin aşırı tahmin edilmesine yol açabilecek bazı basitleştirici varsayımları içerir. Son zamanlarda, Ayrıca şu da ileri sürülmüştür bu galaksilerdeki yıldızlara atfedilen ışığın bir kısmının güçlü kara delikler tarafından üretildiği. Bu, bu galaksilerin sonuçta o kadar büyük olmayabileceği anlamına gelir.

Alternatif teoriler

Peki, şu anda nerede duruyoruz? Bazı gerginlikler yakında daha fazla ve daha iyi gözlemlerle açıklanabilirken, kozmolojik modeli altüst eden tüm zorlukların bir çözümü olup olmayacağı henüz belli değil.

Ancak modeli nasıl düzelteceğimize dair teorik fikirlerde bir eksiklik yok; belki de çok fazla. birkaç yüz ve daha fazla sayıda. Bu, hepsini araştırmak isteyen herhangi bir teorisyen için kafa karıştırıcı bir görevdir.

Olasılıklar çoktur. Belki de karanlık enerjinin doğasına ilişkin varsayımlarımızı değiştirmemiz gerekir. Belki de bu, zamana göre değişirbazı son ölçümlerin önerdiği gibi. Ya da belki evrenin erken zamanlardaki genişlemesini artırmak için modele daha fazla karanlık enerji eklememiz gerekiyor, ya da tam tersine, geç zamanlarda. Nasıl değiştirileceği yerçekimi evrenin büyük ölçeklerinde davranır (Değiştirilmiş Newton Dinamiği veya MOND adı verilen modellerde yapılanlardan farklı olarak) da bir seçenek olabilir.

Ancak şimdiye kadar bu alternatiflerin hiçbiri standart modelin açıklayabileceği geniş gözlem yelpazesini açıklayamadı. Daha da endişe verici olanı, bazılarının bir gerginliğe yardımcı olabilmesi ancak diğerlerini kötüleştirebilmesidir.

Kapı artık kozmolojinin en temel ilkelerine bile meydan okuyan her türlü fikre açık. Örneğin, evrenin bir çok büyük ölçeklerde “homojen ve izotropik”tüm gözlemcilere her yönden aynı göründüğü anlamına gelir ve evrende özel noktalar olmadığını öne sürer. Diğerleri şunu öneriyor: Genel görelilik teorisindeki değişiklikler.

Hatta bazıları bir düzenbaz evreni hayal ediyor, ki bu da gözlem eyleminde bizimle birlikte yer alırveya ona bakıp bakmadığımıza bağlı olarak görünümü değişen – atomların ve parçacıkların kuantum dünyasında gerçekleştiğini bildiğimiz bir şey.

Zamanla, bu fikirlerin birçoğu muhtemelen teorisyenlerin merak kabinine atılacak. Ancak bu arada, “yeni fiziği” test etmek için verimli bir zemin sağlıyorlar.

Bu iyi bir şey. Bu gerginliklere verilecek cevap şüphesiz daha fazla veriden gelecektir. Önümüzdeki birkaç yıl içinde, JWST, Karanlık Enerji Spektroskopik Aleti (DESI) gibi deneylerden elde edilen gözlemlerin güçlü bir kombinasyonu, Vera Rubin Gözlemevi ve Öklid ve daha birçokları, uzun zamandır aradığımız cevapları bulmamıza yardımcı olacaklar.

Dönüm noktası

Bir yandan, daha doğru veriler ve ölçümlerdeki sistematik belirsizliklerin daha iyi anlaşılması bizi standart modelin güven verici rahatlığına geri döndürebilir. Model, geçmişteki sıkıntılarından yalnızca haklı çıkmakla kalmayıp aynı zamanda güçlenmiş olarak da ortaya çıkabilir ve kozmoloji hem kesin hem de doğru bir bilim olacaktır.

Ancak denge diğer tarafa doğru kayarsa, yeni fiziğin keşfedilmesi gereken keşfedilmemiş bir bölgeye sürükleneceğiz. Bu, 1990’ların sonlarında evrenin hızlandırılmış genişlemesinin keşfine benzer şekilde kozmolojide büyük bir paradigma değişimine yol açabilir. Ancak bu yolda, evrenin çözülememiş iki büyük gizemi olan karanlık enerji ve karanlık maddenin doğasıyla bir kez ve herkes için hesaplaşmamız gerekebilir.

Bu makale şu kaynaktan yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Oku orijinal makale.