7 Minutės
Įsivaizduokite, kad stovite ant veidrodinio tvenkinio krašto ir pastebite, jog viena jo pusė pastebimai šiltesnė nei kita. Keista, ar ne? Tai maždaug tas vaizdas, kuris išryškėja iš naujų kosmologinių testų: didžiausiu mastu Visata gali būti ne tokia tvarkinga ir vienalytė, kokią beveik šimtmetį laikė mūsų lygtys.
Ką fizikų prielaidos reiškia — ir kodėl tai svarbu
Kosmologija ilgą laiką rėmėsi paprasta simetrija: atsitraukus toli, kosmosas atrodo vienodas visomis kryptimis. Ši prielaida — izotropija — kartu su idėja, kad Visata maždaug vienoda bet kuriame taške (homogeniškumas), duoda bendrąją reliatyvumo teorijos FLRW aprašą. FLRW, savo ruožtu, sudaro pagrindą Lambda-CDM (ΛCDM) modeliui, mūsų numatytam rėmeliui Visatos istorijai, tamsiajai materijai ir tamsiajai energijai.
Kodėl simetrija svarbi? Nes ji supaprastina Einsteino lygtis ir susieja skirtingus stebėjimus į vieną nuoseklų vaizdą. Kai kosminis mikrobanginis fonas (CMB) atrodo vienalytis vienai daliai iš 100 000, fizikams buvo pagrįstai patogu naudoti maksimaliai simetrišką FLRW modelį kaip kosmologinę atskaitos liniją. Tačiau precizinė kosmologija spėriai ima atskleisti įtrūkimus: nauji matavimai ir dideli katalogai pradeda rodyti neatitikimus, kurių anksčiau nesimatė.
Neraminančios anomalijos: Hubble ir dar daugiau
Per pastaruosius du dešimtmečius viena įtampa dominavo antraštėse: Hubble nesantaika. Vietiniai Visatos plėtimosi greičio (H0) matavimai prieštarauja vertėms, išvestoms iš ankstyvosios Visatos signalų. Skirtingi instrumentai ir metodai duoda tą pačią užsispyrusią prarają. Toks skirtumas jau rodo, kad mūsų fizikos supratime gali trūkti elementų arba kad duomenys turi subtilių sisteminių poslinkių.
Dar viena anomalija dabar ima ryškėti — ji tylesnė, mažiau viešinama, bet galinti būti dar labiau sutrikdanti. Tai vadinama kosminiu dipolio anomalija. Greičiausiai esate matę CMB dipolį pateiktą kaip paprastą Doplerio efektą: viena dangaus pusrutulio pusė atrodo truputį karštesnė, o priešinga pusė truputį vėsesnė — maždaug apie vieną dalį iš tūkstančio. Šis bruožas gerai žinomas ir dažniausiai priskiriamas mūsų judėjimui per erdvę. Tačiau istorija tuo neapsiriboja — dipolis pasirodo ir kituose duomenyse.
Kosminis dipolis kelia apgaulingai paprastą klausimą: jei CMB rodo dipolį, ar labai tolimos galaktikos ir kvasarai danguje parodys tą patį dipolį, kurį prognozuoja FLRW vaizdinys? 1984 m. George Ellis ir John Baldwin tai suformulavo kaip empirinį testą. Jei Visata yra izotropiška, tolimoji materijos pasiskirstymo ašis turėtų sutapti su dipoliu, matomu CMB. Jei nesutampa — tada pati FLRW prielaida gali būti paversta abejone.
Ellis–Baldwin testo taikymas praktikoje
Ellis–Baldwin testo vykdymas reikalauja didelių, gilių apžvalgų tolimų objektų — radijo galaktikų, kvasarų, infraraudonųjų spindulių atrinktų šaltinių — pakankamai toli, kad vietinis klasterizavimas nesukurtų klaidingo signalo. Iki šiol tinkamų katalogų buvo nedaug. Dabar, su išsamiais radijo apžvalgomis ir viso dangaus vidutinio infraraudonojo diapazono žemėlapiais, palyginimas tapo įmanomas su realia statistine galia.
Rezultatas yra nerimą keliantis: keli nepriklausomi duomenų rinkiniai rodo neatitikimą. Išvesta dipolio kryptis materijos pasiskirstyme maždaug sutampa su CMB dipolio kryptimi, tačiau amplitudės nesutampa. Kitaip tariant, dangaus „karščiausio–vėsesnio“ ašis ir matomas galaktikų perteklius vienoje pusėje nėra proporcingi taip, kaip prognozuoja FLRW. Observatorijos, dirbančios skirtingose bangose ir naudojančios skirtingas sistematikas — žemės radijo tinklai ir kosminės infraraudonųjų spindulių apžvalgos — konverguoja link tos pačios diskrepancijos.
.avif)
Materijos ir CMB dipoliai nesutampa – kryptys yra suderintos (viršutinis skydelis), tačiau amplitudės skiriasi (apatinis skydelis).
Kodėl tai gilesnė problema nei duomenų klaida
Tyrėjai dirbo atsargiai. Instrumentiniai efektai didžiuliai skiriasi tarp radijo teleskopų ir vidutinio infraraudono palydovų; atrankos funkcijos, kalibracijos grandinės ir priekiniai fonai nėra identiški. Vis dėlto, kai nepriklausomos grupės išanalizavo duomenų katalogus pakartotinai, neatitikimas išliko. Ši pastovumo tendencija verčia šį pastebėjimą tapti rimtu empiriniu iššūkiu: arba pro akis prasprūdo subtilus, bendras šališkumas, kuris veikia kelis instrumentus, arba kosmologinė simetrija, įtraukta į ΛCDM, turi būti peržiūrėta.
Peržiūra nėra paviršutiniškas žingsnis. Atsisakyti FLRW reikštų pergalvoti matematinę sceną, kurioje vyksta Visatos evoliucija. Tai atsilieptų tamsiosios energijos įvertinimams, didelio masto struktūros evoliucijai ir net mūsų atstumų bei amžių interpretacijai kosmologijoje. Dėl šios priežasties ši anomalija, nors mažiau žinoma nei Hubble nesutarimas, gali būti dar labiau fundamentali.
Ekspertų įžvalgos
„Iš pirmo žvilgsnio dipolio neatitikimas atrodo tarsi techninis nepatogumas; iš arčiau pažvelgus jis skamba kaip kelrodė žvaigždė,“ sako dr. Maya R. Patel, observacinė kosmologė Cambridge universitete. „Ar mes praleidžiame visuotinio pobūdžio sisteminę klaidą, veikiančią kelias apžvalgas, ar mus nukreipia naujos kosmologinės vizijos linkas — abi galimybės tiek įdomios, tiek reikalaujančios didelių pastangų.“
Patel priduria: „Kitos kartos apžvalgos bus lemiamos. Jei Euclid, SPHEREx, Vera Rubin Observatory ir Square Kilometre Array sutaps dėl šios anomalijos, tuomet teorikai turės pasiūlyti radikalius, bet testuojamus alternatyvius modelius.“
Ką darysime toliau: duomenys, metodai ir teorija
Daugiau duomenų jau artėja. Euclid ir SPHEREx žemėlapiuos galaktikas ir infraraudonuosius šaltinius su beprecedenčiu tūriu ir vienalybe. Vera Rubin Observatory pateiks gilias optines laiko srities apžvalgas per pusę dangaus. Square Kilometre Array, pasiekusi pilną jautrumą, kataloguos milijonus radijo šaltinių. Kartu šios priemonės sugriežtins Ellis–Baldwin testą ir arba patvirtins neatitikimą, arba atskleis jo kilmę.
Teorijoje atsisakymas FLRW atveria plačią galimybių erdvę: anizotropiniai kosmologiniai modeliai (pvz., Bianchi klasės sprendiniai), didelio masto srautai arba „bulk flow“, netipiška tamsiosios energijos dinamika, Lemaître–Tolman–Bondi tipo (LTB) vietinės tuštumos sprendiniai arba anksčiau nepastebėti reliatyvistiniai efektai, susiję su šviesos spindulių frekvenčių keitimu bei šviesos konų (light-cone) geometrija. Be to, reikalinga kruopščiai įvertinti šviesio šaltinių selekcijas, ryšio tarp fotonų ir materijos efektus bei galimus astrometrinius poslinkius.
Mašinų mokymasis ir pažangūs statistiniai metodai padės naviguoti šią erdvę — pavyzdžiui, generatyvūs modeliai, bayesinės hierarchinės struktūros ar Monte Carlo simuliacijos, skirtos sistematikų įvertinimui. Tačiau jokios skaitmeninės gudrybės nepakeis griežtų stebimųjų patikrinimų: atkuriamumas, kruopšti kalibracija ir įvairių nepriklausomų rinkinių palyginimas lieka kertinės procedūros.
Pasekmės mokslui ir visuomenei
Kodėl tai turėtų rūpėti ne specialistui? Todėl, kad kosmologijos pamatai yra daugelio kitų fizikos sričių pastoliai. Jei erdvės–laiko didelio masto simetrija reikalauja peržiūros, tai išvados, pagrįstos ta simetrija — apie sudėtį, amžių ir Visatos likimą — gali reikalauti atnaujinimo. Tai paveiktų ne tik akademines diskusijas, bet ir vadovėlius, kuriais mokoma naujų kartų fizikų ir astronomų.
Mes stovime kryžkelėje: laikytis elegantiško FLRW paprastumo ir viltis, kad išryškėjo subtili sisteminė klaida, arba priimti neraminančią galimybę, kad Visata yra šiek tiek mažiau simetriška, nei manėme. Bet kuriuo atveju tikslesni dangaus žemėlapiai atskleis tiesą. Klausimas, kuri kryptis dominuos, dabar yra aktualus — ir atsakymas arčiau, nei bet kada anksčiau.
Santrauka — svarbiausi punktai:
- Kosmoso izotropijos prielaida yra kertinė FLRW ir ΛCDM teorijoms.
- Hubble nesutarimas ir kosminis dipolio neatitikimas rodo potencialius trūkstamus fizinius elementus arba paslėptas sistemines klaidas.
- Ellis–Baldwin testas palygina CMB dipolį su tolimų objektų pasiskirstymu; keli nepriklausomi katalogai rodo nuoseklų amplitudžių disbalansą.
- Artėjantys projektai (Euclid, SPHEREx, Vera Rubin Observatory, SKA) suteiks reikalingą statistinę galią anomalijai patikrinti.
- Galimos teorinės alternatyvos apima anizotropinius modelius, didelio masto srautus ir neįprastą tamsiosios energijos fiziką.
Ši tema jungia du svarbius kosmologijos branduolius: tikslius stebėjimus (observational cosmology) ir teorinę fizikos sisteminę analizę. Artimiausi metai bus lemtingi, nes nauji duomenys arba patvirtins esamą neatitikimą, arba padės išaiškinti, jog problema glūdi instrumentuose, duomenų apdorojime ar metodologijoje. Abi išvados turėtų reikšmingai paveikti kosmologijos raidą.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą