Jaki kształt ma Wszechświat? A New Study Suggests We’ve Got It All Wrong

Naukowcy z Plancka zauważyli większy niż oczekiwano efekt soczewkowania już wiele lat temu; anomalia pojawiła się najbardziej w ich ostatecznej analizie pełnego zestawu danych, opublikowanej w zeszłym roku. Jeśli wszechświat jest płaski, kosmolodzy oczekują, że pomiar krzywizny wypadnie w granicach jednego „odchylenia standardowego” od zera, ze względu na losowe fluktuacje statystyczne w danych. Jednak zarówno zespół Plancka jak i autorzy nowej pracy stwierdzili, że dane CMB odbiegają od normy o 3,4 odchylenia standardowego. Zakładając, że Wszechświat jest płaski, jest to poważny przypadek – mniej więcej taki sam jak trafienie orzełka w rzucie monetą 11 razy z rzędu, co zdarza się mniej niż 1% czasu. Zespół Plancka przypisuje ten pomiar właśnie takiemu przypadkowi, lub jakiemuś nieuwzględnionemu efektowi, który rozmywa światło CMB, naśladując efekt dodatkowej materii.

Albo może wszechświat jest naprawdę zamknięty. Di Valentino i współautorzy zwracają uwagę, że model zamknięty rozwiązuje inne anomalie w CMB. Na przykład, badacze wyznaczają wartości kluczowych składników naszego wszechświata, takich jak ilość ciemnej materii i ciemnej energii, mierząc zmiany w kolorze światła CMB pochodzącego z różnych regionów nieba. Co ciekawe, otrzymują oni różne odpowiedzi, gdy porównują małe regiony nieba i gdy porównują duże regiony. Autorzy zwracają uwagę, że gdy przeliczymy te wartości zakładając zamknięty wszechświat, nie różnią się one od siebie.

Will Kinney, kosmolog z University at Buffalo w Nowym Jorku, nazwał tę dodatkową korzyść z modelu zamkniętego wszechświata „naprawdę interesującą”. Zauważył jednak, że rozbieżności pomiędzy małymi i wielkoskalowymi zmianami widocznymi w świetle CMB mogą być same w sobie fluktuacjami statystycznymi, lub mogą wynikać z tego samego niezidentyfikowanego błędu, który może wpływać na pomiar soczewkowania.

Według standardowej teorii kosmologii, która znana jest jako ΛCDM (nazwana dla ciemnej energii, reprezentowanej przez grecką literę Λ, lub lambda, oraz zimnej ciemnej materii), istnieje tylko sześć z tych kluczowych właściwości, które kształtują wszechświat. Mając tylko sześć liczb, ΛCDM dokładnie opisuje prawie wszystkie cechy kosmosu. A LKM nie przewiduje żadnej krzywizny; mówi, że wszechświat jest płaski.

Nowa praca skutecznie dowodzi, że możemy potrzebować dodać siódmy parametr do LKM: liczbę, która opisuje krzywiznę wszechświata. W przypadku pomiaru soczewkowania dodanie siódmej liczby poprawia dopasowanie do danych.

Ale inni kosmolodzy twierdzą, że zanim potraktujemy anomalię na tyle poważnie, by dodać do teorii siódmy parametr, musimy wziąć pod uwagę wszystkie inne rzeczy, które ΛCDM robi dobrze. Jasne, możemy skupić się na tej jednej anomalii – monecie wypadającej 11 razy z rzędu i powiedzieć, że coś jest nie tak. Ale CMB jest tak ogromnym zbiorem danych, że to jak rzucanie monetą setki lub tysiące razy. Nietrudno sobie wyobrazić, że robiąc to, natrafimy na jeden losowy rzut 11 reszek. Fizycy nazywają to efektem „szukaj gdzie indziej”.

Co więcej, badacze zauważają, że siódmy parametr nie jest potrzebny do większości innych pomiarów. Istnieje drugi sposób pozyskiwania krzywizny przestrzennej z CMB, poprzez pomiar korelacji pomiędzy światłem z czterech punktów na niebie; ten pomiar „rekonstrukcji soczewkowania” wskazuje, że wszechświat jest płaski, bez konieczności stosowania siódmego parametru. Ponadto, niezależne obserwacje sygnałów kosmologicznych zwanych akustycznymi oscylacjami barionowymi, dokonane w ramach badania BOSS, również wskazują na płaskość. Planck, w swojej analizie z 2018 roku, połączył swoje pomiary soczewkowania z tymi dwoma innymi pomiarami i doszedł do ogólnej wartości krzywizny przestrzennej w granicach jednego odchylenia standardowego od zera.

Di Valentino, Melchiorri i Silk uważają, że łączenie tych trzech różnych zestawów danych maskuje fakt, że różne zestawy danych w rzeczywistości się nie zgadzają. „Nie chodzi tu o to, że wszechświat jest zamknięty” – powiedział Melchiorri za pośrednictwem poczty elektronicznej. „Problemem jest niespójność pomiędzy danymi. To wskazuje, że obecnie nie ma modelu zgodnego i że czegoś nam brakuje.” Innymi słowy, ΛCDM jest błędne lub niekompletne.

Wszyscy inni badacze konsultowani na potrzeby tego artykułu uważają, że waga dowodów wskazuje na to, że wszechświat jest płaski. „Biorąc pod uwagę inne pomiary,” powiedział Addison, „najbardziej jasną interpretacją tego zachowania danych Plancka jest to, że jest to statystyczna fluktuacja. Może jest to spowodowane jakąś drobną niedokładnością w analizie Plancka, a może jest to całkowicie tylko fluktuacja szumu lub przypadkowy przypadek. Ale tak czy inaczej, nie ma powodu, by traktować ten zamknięty model poważnie.”

Nie oznacza to, że w kosmologicznym obrazie brakuje jakichś elementów. ΛCDM wydaje się przewidywać niewłaściwą wartość dla obecnego tempa ekspansji wszechświata, powodując kontrowersje znane jako problem stałej Hubble’a. Jednak założenie, że wszechświat jest zamknięty, nie rozwiązuje tego problemu – w rzeczywistości dodanie krzywizny pogarsza przewidywania dotyczące tempa ekspansji. Poza anomalią soczewkowania Plancka, nie ma powodu, by sądzić, że wszechświat jest zamknięty.

„Czas pokaże, ale osobiście nie jestem tym strasznie zmartwiony” – powiedział Kinney, odnosząc się do sugestii zakrzywienia w danych CMB. „Jest to rodzaj podobnych anomalii, które okazały się być oparami.”

Uaktualnienie: 15 lipca 2020
Nowe pomiary kosmicznego tła mikrofalowego przez Atacama Cosmology Telescope stwierdzają, że wszechświat jest płaski, z gęstością odpowiadającą gęstości krytycznej. „Nie znajdujemy żadnych dowodów na odchylenia od płaskości” – piszą naukowcy z ACT – „wspierając interpretację, że jest to fluktuacja statystyczna.”

Poprawiono 4 listopada 2019: Oryginalna wersja tego artykułu odnosiła się do satelity BOSS. W rzeczywistości badanie BOSS zostało przeprowadzone na naziemnym teleskopie.

Ten artykuł został przedrukowany w języku hiszpańskim na stronie Investigacionyciencia.es.

.