Vilken form har universum? En ny studie föreslår att vi har fått allting fel

Planck-forskarna märkte den större än förväntade linsverkan för flera år sedan; anomalin visade sig tydligast i deras slutliga analys av hela datamängden, som släpptes förra året. Om universum är platt förväntar sig kosmologerna att en mätning av krökningen ska ligga inom ungefär en ”standardavvikelse” från noll, på grund av slumpmässiga statistiska fluktuationer i data. Men både Planck-teamet och författarna till den nya artikeln fann att CMB-data avviker med 3,4 standardavvikelser. Om man antar att universum är platt är detta en stor slump – ungefär som att få krona och klave i ett myntkast 11 gånger i rad, vilket händer mindre än 1 % av gångerna. Planck-teamet tillskriver mätningen just en sådan slump, eller någon oräknad effekt som suddar ut CMB-ljuset och efterliknar effekten av extra materia.

Och kanske är universum verkligen slutet. Di Valentino och medförfattare påpekar att en sluten modell löser andra avvikande fynd i CMB. Till exempel kan forskarna härleda värdena för viktiga beståndsdelar i vårt universum, såsom mängden mörk materia och mörk energi, genom att mäta variationer i färgen på CMB-ljuset som kommer från olika delar av himlen. Men märkligt nog får de olika svar när de jämför små områden på himlen och när de jämför stora områden. Författarna påpekar att när man räknar om dessa värden med utgångspunkt i ett slutet universum skiljer de sig inte åt.

Will Kinney, kosmolog vid University at Buffalo i New York, kallade denna bonusfördel med modellen för det slutna universumet för ”riktigt intressant”. Men han noterade att diskrepanserna mellan små och storskaliga variationer som ses i CMB-ljuset lätt kan vara statistiska fluktuationer i sig, eller så kan de härröra från samma oidentifierade fel som kan påverka linsmätningen.

Det finns bara sex av dessa nyckelegenskaper som formar universum, enligt kosmologins standardteori, som kallas ΛCDM (uppkallad efter mörk energi, som representeras av den grekiska bokstaven Λ eller lambda, och kall mörk materia). Med endast sex siffror beskriver ΛCDM noggrant nästan alla egenskaper hos kosmos. Och ΛCDM förutsäger ingen krökning; den säger att universum är platt.

Den nya artikeln argumenterar effektivt för att vi kan behöva lägga till en sjunde parameter till ΛCDM: ett tal som beskriver universums krökning. För linsmätningen förbättrar tillägget av ett sjunde tal överensstämmelsen med data.

Men andra kosmologer hävdar att innan vi tar en anomali på tillräckligt stort allvar för att lägga till en sjunde parameter till teorin, måste vi ta hänsyn till alla de andra saker som ΛCDM har rätt. Visst kan vi fokusera på denna enda anomali – ett mynt som faller på huvudet 11 gånger i rad – och säga att något är fel. Men CMB är en så stor datamängd att det är som att slå ett mynt hundratals eller tusentals gånger. Det är inte alltför svårt att föreställa sig att vi i samband med detta kommer att stöta på en slumpmässig upprepning av 11 huvuden. Fysiker kallar detta för ”look elsewhere”-effekten.

För övrigt noterar forskarna att den sjunde parametern inte behövs för de flesta andra mätningar. Det finns ett andra sätt att få fram den rumsliga krökningen från CMB, genom att mäta korrelationer mellan ljuset från uppsättningar av fyra punkter på himlen; denna ”linsrekonstruktions”-mätning visar att universum är platt, utan att det behövs någon sjunde parameter. Dessutom pekar BOSS-undersökningens oberoende observationer av kosmologiska signaler som kallas baryonakustiska svängningar också på att det är platt. Planck kombinerade i sin analys från 2018 sin linsmätning med dessa två andra mätningar och kom fram till ett övergripande värde för den rumsliga krökningen inom en standardavvikelse från noll.

Di Valentino, Melchiorri och Silk anser att det faktum att man drar samman dessa tre olika datamängder döljer det faktum att de olika datamängderna faktiskt inte stämmer överens. ”Poängen här är inte att universum är slutet”, säger Melchiorri via e-post. ”Problemet är inkonsekvensen mellan uppgifterna. Detta tyder på att det för närvarande inte finns någon överensstämmelsemodell och att vi missar något.” Med andra ord är ΛCDM fel eller ofullständig.

Alla andra forskare som konsulterats för den här artikeln anser att tyngden av bevisen pekar på att universum är platt. ”Med tanke på de andra mätningarna”, sade Addison, ”är den tydligaste tolkningen av detta beteende hos Planckdata att det är en statistisk fluktuation. Kanske orsakas det av någon liten felaktighet i Planck-analysen, eller så är det helt enkelt bara brusfluktuationer eller slumpmässiga tillfälligheter. Men hur som helst finns det egentligen ingen anledning att ta denna slutna modell på allvar.”

Det betyder inte att det inte saknas delar i den kosmologiska bilden. ΛCDM förutsäger till synes fel värde för universums nuvarande expansionshastighet, vilket orsakar en kontrovers som är känd som problemet med Hubblekonstanten. Men att anta att universum är slutet löser inte detta problem – i själva verket förvärrar tillägget av krökning förutsägelsen av expansionshastigheten. Förutom Plancks avvikande linsmätning finns det ingen anledning att tro att universum är slutet.

”Tiden får utvisa det, men personligen är jag inte särskilt orolig för det här”, sade Kinney och hänvisade till antydningen av krökning i CMB-data. ”Det är av samma slag som liknande anomalier som har visat sig vara ångor.”

Uppdatering: 15 juli 2020
Nya mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden från Atacama Cosmology Telescope visar att universum är platt, med en täthet som matchar den kritiska tätheten. ”Vi finner inga bevis för avvikelse från platthet”, skriver ACT-forskarna, ”vilket stöder tolkningen att det är en statistisk fluktuation.”

Rättad den 4 november 2019: I den ursprungliga versionen av den här artikeln hänvisades till satelliten BOSS. I själva verket genomfördes BOSS-undersökningen med ett markbaserat teleskop.

Denna artikel återgavs på spanska på Investigacionyciencia.es.