Gelembung suara kosmik beku menunjukkan energi gelap secara mengejutkan berubah

Di pusat konvensi tepi pantai di Cancún, Meksiko, Desember lalu, Seshadri Nadathur mempresentasikan bagan pertumbuhan rahasia alam semesta. Duduk di antara hadirin, ratusan rekan -rekan ilmuwannya secara diam -diam memproses bahwa kronik kosmik karena mereka mengetahui bahwa itu mungkin perlu direvisi. “Ini adalah hal paling menarik yang terjadi dalam kosmologi dalam 25 tahun,” kata Nadathur, seorang kosmolog di University of Portsmouth di Inggris.

Selama hampir tiga dekade, para astronom percaya bahwa alam semesta berkembang lebih cepat dan lebih cepat dan bahwa percepatan pertumbuhan ini konstan dari waktu ke waktu – didorong oleh kekuatan misterius yang mereka sebut “energi gelap.” April lalu Sebuah survei oleh Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) menerbitkan petunjuk bahwa energi gelap mungkin tidak konstan seperti yang mereka asumsikan, menambah tumpukan kekhawatiran yang sudah mengancam model standar kosmologi. Hari ini Nadathur dan kolaborator Desi-nya meluncurkan hasil tindak lanjut mereka di depan umum di KTT Fisika Global American Physical Society dan di berbagai makalah pracetak, selanjutnya memvalidasi pertanda.

Setelah hampir tiga kali lipat koleksi koordinat galaksi para peneliti, analisis desi baru memberikan bukti terkuat bahwa tingkat ekspansi kosmik berfluktuasi – akhirnya memberi sedikit cahaya pada energi gelap, yang menurut para ilmuwan merupakan sekitar 70 persen dari segala sesuatu di alam semesta.

Tentang mendukung jurnalisme sains

Jika Anda menikmati artikel ini, pertimbangkan untuk mendukung jurnalisme pemenang penghargaan kami berlangganan. Dengan membeli langganan, Anda membantu memastikan masa depan cerita -cerita yang berdampak tentang penemuan dan ide -ide yang membentuk dunia kita saat ini.

Meskipun bukti masih jauh dari tolok ukur fisikawan untuk “penemuan,” para ahli mengatakan hasil baru meninggalkan model standar dalam kesulitan yang mengerikan. Memahami energi gelap yang berkembang hampir pasti akan melibatkan mengubah fondasi fisika untuk membuka kunci sejarah dan nasib yang sebenarnya dari alam semesta kita.

“Ini seperti memukul nada emas,” kata Adam Riess, yang berbagi Hadiah Nobel 2011 dalam Fisika untuk Penemuan Energi Gelap dan tidak terlibat dalam karya baru. Dengan asumsi hasilnya bertahan, “Dikatakan investasi yang kita semua telah membuat bahwa masih ada lagi yang bisa dipelajari akan membuahkan hasil.”

Tarik-menarik kosmik perang

Sekitar seabad yang lalu para ilmuwan mulai menyadari bahwa alam semesta berkembang keluar dari apa yang sekarang mereka sebut Big Bang, ledakan energi yang melahirkan ruang dan waktu. Pada akhir 1990 -an para ilmuwan berangkat untuk mengukur bagaimana pertumbuhan alam semesta secara bertahap melambat saat menyebar – hanya untuk menyadari bahwa itu tidak melambat sama sekali. Mempelajari cahaya dari bintang -bintang burst yang disebut supernova, kelompok Riess dan tim independen lainnya mengkonfirmasi pada tahun 1998 bahwa objek yang lebih jauh dari kita, semakin cepat mereka surut. Dengan kata lain, ruang berakselerasi ke luar.

Pada tahun -tahun sejak itu, para ilmuwan tetap dalam kegelapan tentang apa yang menyebabkan percepatan pertumbuhan yang berkepanjangan alam semesta (karenanya nama “energi gelap”). Untuk membangun model kosmologi standar mereka, para ahli teori menandai persamaan gravitasi mereka sebagai “konstanta kosmologis” – nilai Albert Einstein pertama kali diusulkan pada tahun 1917 untuk menjelaskan mengapa alam semesta tidak runtuh secara gravitasi. Meskipun fisikawan tidak memahami asal usul sosok ini, tebakan terbaik mereka adalah bahwa kekosongan ruang itu sendiri diilhami dengan energi konstan yang mendorong ke luar tanpa henti.

Saat ini kisah kanonik evolusi kosmik menggambarkan tarik-menarik antara dorongan energi gelap yang tak tergoyahkan dan tarikan materi gravitasi (termasuk reservoir luas dari “materi gelap dingin” yang tidak terlihat yang seharusnya menempelkan galaksi bersama-sama). Model standar ini melukiskan gambaran yang “sukses gila” tentang bagaimana alam semesta berevolusi dari satu detik menjadi 14 miliar tahun, meskipun faktanya 95 persen konten model benar -benar tidak terbiasa, kata Kevork Abazajian, seorang astrofisika di Universitas California, Irvine. “Tapi itu juga rusak.” Serangkaian pengukuran yang saling bertentangan tentang tingkat ekspansi dan kemalangan kosmos telah melemparkan kosmologi ke dalam teka -teki.

Akibatnya, para ahli kosmologi telah mengukur laju di mana ketiadaan berkembang dengan meningkatnya presisi. Akselerasi telah terbukti tabah – sampai mereka mulai melihat suara.

Riak beku di luar angkasa

Tak lama setelah Big Bang, alam semesta adalah bola api partikel terbang bebas dan cahaya yang menabrak, menciptakan gelombang tekanan seperti yang Anda dapatkan dari melemparkan batu ke kolam. Setelah sekitar 380.000 tahun, semuanya cukup dingin untuk terbentuk atom, memungkinkan cahaya mengalir dengan bebas tanpa terus -menerus menabrak partikel lain (cahaya ini adalah radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik yang masih bisa kita lihat hari ini). Tiba-tiba, kolam primordial membeku, melestarikan tambalan riak, semuanya sekitar 490 juta tahun cahaya. Gelombang -gelombang ini, yang dikenal sebagai osilasi akustik baryonic, menabur benih untuk galaksi yang akan datang – menawarkan para astronom saat ini adalah batu ujian standar yang berguna.

Bertengger di Pegunungan Quinlan di Arizona selatan, Desi dirancang untuk mengambil gelombang suara yang beku dalam waktu. 5.000 lengan robot menari melacak pola galaksi, menangkap lebih dari 200.000 dalam satu malam. Kemudian meludahkan cahaya mereka ke dalam spektrum, mengungkapkan usia relatif dari berbagai kelompok galaksi. Untuk benda-benda lebih dari sembilan miliar tahun cahaya, Desi mendeteksi materi dengan cara itu menyerap cahaya dari lubang hitam supermasif yang bersinar di latar belakang. Pada setiap irisan sejarah kosmik, tim mencari jejak riak dalam distribusi materi. Akhirnya, dengan overlay pengukuran dengan pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik dan berbagai survei supernova, para peneliti dapat merekonstruksi peta tiga dimensi dari ekspansi alam semesta selama 11 miliar tahun terakhir.

April lalu, Kolaborasi Desi yang beranggotakan 900 orang merilis analisis tahun pertama data, yang menunjukkan beberapa petunjuk bahwa tingkat ekspansi kosmik tidak sejalan dengan model standar. Tetapi para ahli ragu-ragu untuk mempercayai sinyal dari percobaan baru dengan pengamatan terbatas. Dalam babak ini, Desi telah menunjukkan hampir 15 juta galaksi dari lebih dari 24.000 paparan – beberapa di antaranya, yang dicurigai oleh pengamat, secara tidak sengaja dipicu oleh kucing teleskop, kucing teleskop, Mimzi, menginjak keyboard.

Untuk menghindari bias interpretasi mereka secara tidak sadar, para peneliti secara cerdik mengocok lokasi galaksi yang sebenarnya sehingga analisis mereka tidak akan mengungkapkan kosmologi yang mendasari yang sebenarnya kepada mereka ketika mereka masih mengerjakannya. Setelah berbulan -bulan belajar, ratusan kolaborator Desi bertemu di Cancún untuk “tidak menguntungkan” hasilnya.

Beberapa hari sebelum pengungkapan besar, beberapa peneliti terpilih diam -diam bertukar pengukuran yang sebenarnya dan menyaksikan plot perlahan -lahan terbentuk. Uendert Andrade, seorang peneliti postdoctoral di University of Michigan, menghabiskan hari -hari berikutnya mengumpulkan wajah poker terbaiknya dan menghindari upaya rekan -rekannya untuk mengorek jawabannya. “Ini benar -benar semacam ajaib – Anda adalah salah satu dari sedikit orang di dunia yang mengetahui hal ini,” katanya.

Ketika Nadathur mengklik presentasinya, pesannya menjadi jelas: penyimpangan itu bukan kebetulan. Retakan dalam model standar hanya melebar. “Sesuatu harus pecah di suatu tempat,” kata kolaborator Desi Claire Lamman, seorang mahasiswa pascasarjana di Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.

Sendiri, pengamatan Desi baru menunjukkan preferensi yang sedikit tetapi tidak signifikan secara statistik untuk energi gelap yang berkembang. Tetapi ketika mereka dikombinasikan dengan data eksperimen lain dari survei supernova dan latar belakang microwave kosmik, kepercayaan bahwa energi gelap memang pendekatan goyah 99,997 persen – indikasi menarik yang hanya malu dengan bilah yang biasanya diperlukan untuk mengklaim penemuan fisika. Yang terpenting, tidak peduli dari set data mana yang dihilangkan, hasilnya semua menunjuk ke arah yang sama. “Anda dapat menghapus satu kaki bangku, dan masih berdiri,” kata Riess. “Ini lulus tes sniff yang saya miliki untuk (mengambil) hasilnya dengan sangat serius.”

Menulis ulang fisika

Analisis tampaknya menunjukkan bahwa energi gelap berubah dari waktu ke waktu – membuat sedikit lebih lemah saat ini daripada prediksi Einstein dan sedikit lebih kuat di alam semesta awal. Kemajuan ini memiliki implikasi untuk takdir utama alam semesta: energi gelap yang terlalu kuat pada akhirnya bisa merobek semua atom, dan yang terlalu lemah bisa memikat segalanya untuk mengguncang ke dalam.

Selain nasib, sifat energi gelap yang berubah akan menimbulkan masalah mendalam untuk fisika fundamental saat ini. Akselerasi yang lebih besar dari yang dijelaskan oleh konstanta kosmologis membangkitkan apa yang oleh para ahli kosmologi disebut “energi hantu,” yang memiliki kepadatan yang semakin meningkat dari waktu ke waktu – sesuatu yang dilarang oleh pemahaman kita saat ini tentang gravitasi.

Dengan asumsi hasilnya, ketidaksesuaian ini dapat memicu era “Kosmologi Kekacauan,” kata Abazajian, yang baru -baru ini memposting kertas pracetak yang menunjukkan bagaimana hasil desi sebelumnya lebih suka energi gelap yang berfluktuasi. Merekonsiliasi ini, ia menyarankan, akan membutuhkan pengungkapan kekuatan fundamental yang sama sekali baru atau menyadari bahwa alam semesta kita memiliki lebih dari empat dimensi. “Tidak peduli apa, kami menemukan fisika baru di sini,” kata Abazajian. “Tidak ada dalam fisika standar yang memungkinkan energi gelap yang berkembang.”

Meskipun hasilnya tidak secara langsung membantu menyelesaikan ketegangan yang ada dalam kosmologi (yang berkaitan dengan peregangan dan perataan alam semesta), para peneliti berharap bahwa wawasan baru dapat mengarahkan mereka ke model yang lebih kuat. Selama beberapa tahun ke depan, percobaan dengan satelit Euclid dan Vera C. Rubin Observatory yang akan datang harus berpadu dengan pointer komplementer.

Para peneliti sudah mulai menambang data desi untuk petunjuk. Riess tertarik dengan mengapa energi gelap yang berkembang akan melayang di sekitar nilai konstanta kosmologis yang diprediksi Einstein daripada nilai sewenang -wenang lainnya. “Ini hampir seperti telur Paskah – sesuatu tersembunyi di sana,” katanya.

Bagi banyak anggota senior Desi, hasil baru membawa perasaan lega. Di sekolah pascasarjana, Alexie Leuthaud, sekarang di University of California, Santa Cruz, menyaksikan sesama kosmologi memperdebatkan apakah lapangan mereka ditakdirkan untuk mati. Mereka takut eksperimen kosmologi hanya akan mengukur konstanta kosmologis dengan ketepatan yang lebih besar tidak berhasil. “Rasanya bagi banyak orang bahwa kami mengejar poin -poin desimal ini,” katanya. “Setidaknya sekarang kita menuju ke suatu tempat.”

Signifikansi berdering secara berbeda untuk peneliti junior. Lamman mencatat bagaimana sejak dia bisa membaca, buku teks kosmologi belum berubah. “Bidang ini selalu sama, dan saya sudah menerima begitu saja,” katanya. “Saya tidak berpikir saya pernah sepenuhnya menginternalisasi bahwa kami benar -benar dapat menemukan sesuatu yang baru.”

Setelah Unblinding, Lamman dan beberapa lusin rekannya berlari ke pantai untuk merayakannya. Mengambang di laut, dia menatap selimut bintang dan berteriak di langit, “Kami tahu rahasiamu!”