Gökbilimciler evrenin ne kadar hızlı genişlediği konusunda anlaşamıyor. Yeni yaklaşımlar çıkmazı çözmeyi amaçlıyor

Bilim insanlarının evrenin genişlediğini keşfetmesinin üzerinden neredeyse 100 yıl geçti. Sonraki on yıllarda, ölçümlerin doğruluğu, bu keşfin yorumları ve çıkarımları şiddetli tartışmalara yol açtı. Artık evrenin, son derece sıkıştırılmış bir durumdan, Büyük Patlama.

Günümüzdeki genişleme oranının Hubble sabiti veya H₀ (H-sıfır olarak telaffuz edilir) olarak bilinen ölçümleri, o ilk günlerden bu yana önemli ölçüde iyileşmiştir. Ancak, şimdi astronomi topluluğunu yeni bir tartışma sarmıştır: H₀’nin iki bağımsız ölçümü, aynı fikirde olmaları gerekir, farklı sonuçlar verir. Bu durum “H₀ gerginliği” veya Hubble gerginliği olarak bilinir hale gelmiştir.

Bu konuya çok sayıda konferans, inceleme makalesi ve dergi makalesi ayrılmıştır. Bazıları buna “kozmoloji için kriz,“Evren anlayışımızda bir paradigma değişimi gerektiriyor. Evrenin genişlemesi, Büyük Patlama’dan bu yana tarihinin önemli bir yönüdür, bu nedenle anlayışımızın diğer birçok öğesinin temelini oluşturur.

Diğerleri H₀ gerginliğini basitçe ölçüm ekiplerinin verilerini tam olarak anlamadıklarının ve daha iyi verilerle “kriz”in çözüleceğinin bir işareti olarak görüyor. Ancak çözümü belirsizliğini koruyor.

Bu tartışmanın merkezinde yer alan iki ölçüm yöntemi şunlardır: “mesafe merdiveni” ve “kozmik mikrodalga arka planı“Uzaklık merdiveni ikisinin arasında daha eski olanıdır ve evrenin genişlemesinin ilk tespitinden bu yana çeşitli biçimlerde kullanılmıştır.

İlk kanıt, artık Samanyolu’nun dışındaki galaksiler olduğunu bildiğimiz, soluk bulut benzeri nesnelerin öncü ölçümlerinden geldi. Amerikalı astronom VM Slipher Bu nesnelerden gelen ışıktaki kimyasal imzaları ölçtü. Bu imzaları bilinen moleküllerin imzalarıyla eşleştirmek için spektroskopi tekniğini kullanarak, dalga boylarının standart laboratuvar sonuçlarına kıyasla gerildiğini buldu.

Diğer galaksilerden gelen ışığın dalga boylarının “kırmızıya kayma” olarak bilinen bu şekilde uzaması, Doppler etkisiBu olgu aynı zamanda bir acil durum aracı yaklaşırken artan ve geçerken azalan bir siren sesinin perdesinden de sorumludur. öncü 1917 makalesiSlipher, gözlemlediği galaksilerin neredeyse tamamının Samanyolu’ndan uzaklaştığını duyurdu.

Slipher’ın verileri Edwin Hubble tarafından kullanılmaya devam edecekti. 1929 tarihli ünlü çalışması bir galaksi ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaştığını ve dolayısıyla kırmızıya kaymasının o kadar büyük olduğunu gösterir. Kırmızıya kayma ve mesafe arasındaki oran Hubble sabitidir.

Evrenin genişlemesi teorisyenler tarafından önceden tahmin edilmişti. 1920’lerin başlarında Alexander Friedmann ve Georges Lemaître bağımsız olarak gerçekleştirildi Albert Einstein’ın yakın zamanda yayımlanan genel görelilik kuramının genişleyen bir evreni öngörebileceğini ve bunun galaksilerin uzaklıkla birlikte artan kırmızıya kayması anlamına geleceğini ileri sürdü.

Mesafe merdiveni

Uzak galaksiler evrenin genişlemesi nedeniyle bizden uzaklaşıyor. Hubble sabitinin ölçümleri, bu nesnelerin uzaklığı ile uzaklaşma hızları arasındaki bağlantıyı belirlemeye dayanır.

Bu nedenle, H₀ birimleri geleneksel olarak “saniye başına kilometre/megaparsek” olarak kullanılır ve bir megaparsek uzaklıktaki bir cismin hızına atıfta bulunur (astronomlar tarafından kullanılan, yaklaşık 3 milyon ışık yılına eşdeğer bir mesafe birimi).

Slipher’ın bir asır önce yaptığı gibi, gerileme hızları spektroskopi kullanılarak kolayca ölçülebilir. Ancak, galaksilere doğru mesafe ölçümleri bilindiği üzere zordur, bu yüzden mesafe merdiveni burada devreye girer.

The merdivenin en alt “basamağı” gökyüzündeki, mesafeyi ölçmek için doğrudan yöntemler kullanabileceğimiz kadar yakın olan nesneleri temsil eder; örneğin, Dünya’nın Güneş etrafındaki hareketinin nesnelerin açısal konumunda periyodik kaymalar yarattığı paralaks yöntemi. Sonraki basamaklar, giderek daha uzak nesne kümelerinin ölçümlerini temsil eder.

Bunlar, göreceli mesafeleri ölçmenin kolay olduğu nesneler olarak seçilir ancak üzerinde sayı olmayan bir cetvel gibi mutlak mesafelerinin kalibre edilmesi gerekir. Bu işlev en alt basamaktaki nesneler tarafından sağlanır.

Titreşen parlak ve büyük kütleli yıldızlar olan Cepheidler, titreşim periyotları ile parlaklıkları arasındaki sıkı ilişki nedeniyle basamak olarak özellikle kullanışlıdır. Henrietta Swan Leavitt 1908’de. En uzak basamak genellikle Tip 1a süpernovaları (bazı yıldızların yaşamlarının sonuna ulaştığında meydana gelen patlamalar) tarafından oluşturulur ve bu da evrenin genişleme hızının arttığına dair kesin kanıtlar sağlamıştır.

Kozmik mikrodalgalar

Tartışmanın merkezinde yer alan diğer ölçüm yöntemi ise; kozmik mikrodalga arka planı (CMB). Bu, evrenin sadece birkaç yüz bin yaşında olduğu, yıldızların veya gezegenlerin oluşmasından çok önce yayılan ışıktır. Bunun yerine, sıcak bir plazma tüm uzayı doldurdu, Büyük Patlama’da ortaya çıktığı düşünülen ses dalgaları dışında neredeyse mükemmel bir şekilde tekdüzeydi.

Evrenin fiziği şu anda şaşırtıcı derecede basittir, bu yüzden bu dalgaların özellikleri hakkında sağlam tahminlerde bulunabiliriz. Matematiksel modellerimiz hassas ölçümlerle birleştirildiğinde bize evrenin bu erken dönemdeki genişleme hızının ne olduğunu söyler. Sonraki genişleme geçmişi için bir modelle H₀ için son derece hassas bir tahminde bulunabiliriz.

Şimdi, her yöntemin H₀ için ne bulduğuna bakalım. En hassas mesafe merdiveni ölçümü, Nobel ödüllü Adam Riess liderliğindeki SH0ES bilimsel ekibinden geliyor. En son ölçümleri H₀ = megaparsec başına saniyede 73,2 km verir. Avrupa Uzay Ajansı’nın en hassas CMB ölçümü Planck uydu ekibiH₀ = megaparsek başına saniyede 67,4 km’dir.

Bu iki ölçüm birbirine %10 yakın olsa da, her ölçümün yüzde düzeyindeki kesinliğiyle karşılaştırıldığında fark çok büyüktür. Ayrıca, bilim insanları tarafından tamamen rastgele şansa bağlı olmayan bir olayın göstergesi olarak geleneksel olarak kabul edilen “5 sigma” istatistiksel eşiğinin de üzerindedir.

Peki, iki ölçüm arasındaki bu büyük tutarsızlığa ne sebep olabilir? Suçlulardan biri, CMB’den H₀’yi tahmin etmek için kullanılan modelin yanlış olması olabilir. Belki de evren için alternatif bir model, CMB tahminini mesafe merdiveni ölçümüyle uzlaştırabilir. Son birkaç yıldır teorisyenler arasında bu doğrultuda yoğun bir faaliyet olmuştur.

Ana engel, evrenin evriminin onlarca yıl boyunca biriktirilen bir dizi sağlam ölçümle güçlü bir şekilde kısıtlanmış olmasıdır. Dahası, H₀’nin CMB ölçümü, galaksilerin incelenmesi kullanılarak karşılaştırılabilir hassasiyetteki bağımsız ölçümlerle doğrulanmıştır. Bu tür son ölçüm Karanlık Enerji Spektroskopik Enstrümanı (Desi) işbirliğinden elde edilen veriler, megaparsek başına saniyede 68,5 km H₀ değerini, yaklaşık %1 hassasiyetle verir; bu da CMB değeriyle uyumludur.

Yaratıcı olmak

Bu nedenle teorisyenlerin yaratıcı olmaları gerekti. Bir öneri evrenin çok erken dönemlerinde CMB’nin yayılmasından önce ani bir gelişmiş genişleme evresinden geçtiğidir. Bu, ilk atomların standart beklentilerden daha erken oluşmasına neden oldu. Fikir, H₀’nin “standart” CMB ölçümünün bu etkiyi ihmal etmesi ve Hubble sabitinin gerçekte olduğundan daha küçük olduğu sonucuna varmasıdır.

Bu tür çözümlerin zorluğu, Planck uydusu ve diğer teleskoplar tarafından mükemmel bir hassasiyetle ölçülmüş olan CMB’de görülen diğer ayrıntılı desenleri de tahmin edebilmeleri gerektiğidir.

Önerilen diğer çözümler arasında şunlar yer almaktadır: manyetik alanlar ilk atomların oluşumunu etkileyen veya hatta Dünya’nın evrenin alışılmadık derecede büyük bir ölçüde genişleyen atipik bir bölümünde yer aldığı. Hayal kırıklığı yaratan bir şekilde, önerilen çözümlerin hiçbiri hem ikna edici hem de mevcut tüm verilere uymuyor.

Alternatif, daha sıradan bir mantık dizisi ise evrenin fiziksel resmimizin doğru olduğu, ancak ölçümlerden bir veya daha fazlasının bazı gözlemsel etkileri ihmal ettiğidir. Bu, hem astronomi topluluğu hem de ekiplerin kendileri tarafından SH0ES ve Planck ölçümlerinin yoğun bir şekilde sorgulanmasına yol açtı. Şimdiye kadar her iki analizde de herhangi bir hata keşfedilmedi.

Önümüzdeki yol

Peki, ileriye giden yol nedir? Mesafe merdiveninde alternatif basamaklar kullanan bazı oldukça umut verici teknikler son zamanlarda SH0ES ölçümüne rakip olarak ortaya çıktı.

Modern H₀ çalışmalarının öncülerinden Amerikalı Wendy Freedman liderliğindeki bir ekip, süpernova mesafelerinin yeni kalibrasyonlarını yapmak için “kırmızı dev dalının ucu” (TRGB) olarak bilinen bir kategoriye giren belirli yıldızları kullandı. Bu yöntem, Cepheidlerin kullanımında bulunan belirsizliklerden kaçınabilir. İlginç bir şekilde, H₀ = 69.8 verir—Planck ile SH0ES arasında bir sabit, ancak daha büyük belirsizlikler var.

Ayrıca, Freedman’ın ekibi yakın zamanda bir tutarsızlık bulundu TRGB yıldızları ve Sefeidler tarafından ima edilen galaksi mesafeleri arasında James Webb Uzay Teleskobu (JWST)Gelecekteki analizlerle doğrulanması halinde, bu tutarsızlık mesafe merdiveni yaklaşımını çok daha belirsiz bir zemine oturtacaktır.

H₀ ölçümlerinin kalitesi, JWST’den gelen yeni veriler, süpernovaların yeni örnekleri ve aşağıdaki gibi yenilikçi tekniklerle kaçınılmaz olarak artacaktır: Yerçekimi dalgalarını kullanarak kara deliklerin birleşmesinden. Ancak bu çabaların Hubble gerginliğini çözüp çözmeyeceği, yoksa daha da kötüleştirip kötüleştirmeyeceği henüz belli değil.

Şimdilik, evren anlayışımız genişleme oranının ölçümlerindeki anlaşmazlıklar tarafından engellenmeye devam ediyor. Kavramsallaştırılmasından yüz yıl sonra, Hubble sabiti bizi şaşırtmaya devam ediyor.

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