Mengungkap rahasia percepatan perluasan alam semesta

Alam semesta mengembang dengan kecepatan yang semakin cepat, kemungkinan didorong oleh energi gelap. Namun, jitter Hubble, yaitu perbedaan dalam pengukuran laju ekspansi, menantang model saat ini dan mendorong pencarian penjelasan yang berkelanjutan.

Para astronom telah mengetahui selama beberapa dekade bahwa alam semesta mengembang. Ketika mereka menggunakan teleskop untuk mengamati galaksi jauh, mereka melihatnya Galaksi-galaksi sedang bergerak menjauh dari bumi.

Bagi para astronom, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan suatu galaksi semakin panjang, semakin cepat galaksi tersebut menjauh dari kita. Semakin jauh suatu galaksi, semakin besar pergeseran cahayanya ke arah panjang gelombang yang lebih panjang di sisi merah spektrum – dan dengan demikian semakin besar ‘pergeseran merah’-nya.

Waktu dan jarak di alam semesta

Karena kecepatan cahaya terbatas dan cepat, tetapi tidak cepat tak terhingga, melihat sesuatu yang jauh berarti kita melihat sesuatu seperti yang terlihat di masa lalu. Di galaksi jauh dengan pergeseran merah yang tinggi, kita melihat galaksi ketika alam semesta masih muda. Jadi “pergeseran merah tinggi” mengacu pada masa-masa awal alam semesta, dan “pergeseran merah rendah” mengacu pada masa-masa akhir alam semesta.

Gambar lapangan dalam yang diambil oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb ini menunjukkan alam semesta yang penuh dengan galaksi yang berkilauan. Ini adalah gambar inframerah terdalam dan paling akurat dari alam semesta sejauh ini. Gambar gugus galaksi SMACS 0723, yang dikenal sebagai First Deep Web Field, penuh dengan detail. Kredit gambar: NASA, ESA, Badan Antariksa Kanada, dan STScI

Namun ketika para astronom mempelajari jarak ini, mereka mengetahui bahwa alam semesta tidak hanya mengembang, namun laju ekspansinya semakin cepat. Tingkat ekspansi ini lebih cepat dari prediksi teori terkemuka Kosmolog seperti saya Bingung dan mencari penjelasan baru.

Percepatan ekspansi dan energi gelap

Para ilmuwan menyebut sumber percepatan ini sebagai energi gelap. Kami tidak sepenuhnya yakin apa yang mendorong energi gelap atau bagaimana cara kerjanya, namun menurut kami perilakunya dapat dijelaskan Konstanta kosmologisyang mana Properti ruang-waktu Yang berkontribusi pada perluasan alam semesta.

Albert Einstein awalnya mengemukakan konstanta ini, dan dia menempatkan lambda di atasnya dalam teorinya Relativitas umum. Dengan konstanta kosmologis, seiring dengan mengembangnya alam semesta, kepadatan energi konstanta kosmologis tetap sama.

Bayangkan sebuah kotak penuh partikel. Jika volume kotak bertambah, massa jenis partikel akan berkurang karena partikel-partikel tersebut menyebar dan menempati seluruh ruang di dalam kotak. Sekarang bayangkan kotak yang sama, tetapi seiring bertambahnya volume, kepadatan molekul tetap sama.

Tampaknya tidak intuitif, bukan? Fakta bahwa kerapatan energi konstanta kosmologis tidak berkurang seiring dengan perluasan alam semesta tentu saja sangat aneh, namun sifat ini membantu menjelaskan percepatan alam semesta.

Lambda CDM: model standar kosmologi

Saat ini, teori atau model standar kosmologi yang terkemuka adalah… Ini disebut lambda CDMLambda mengacu pada konstanta kosmologis yang menggambarkan energi gelap, sedangkan CDM mengacu pada materi gelap dingin.Model ini menggambarkan percepatan alam semesta pada tahap akhir serta laju ekspansi pada masa-masa awalnya.

Secara khusus, Lambda CDM menjelaskan pengamatan radiasi latar gelombang mikro kosmik, sisa-sisa radiasi gelombang mikro sejak alam semesta terbentuk. Dia berada dalam kondisi “panas dan padat”.“Sekitar 300.000 tahun kemudian ledakan besar itu. catatan menggunakan Satelit Planckyang mengukur Latar belakang gelombang mikro kosmikHal ini mengarahkan para ilmuwan untuk menciptakan model CDM Lambda.

Menyesuaikan model CDM Lambda dengan latar belakang gelombang mikro kosmik memungkinkan fisikawan memprediksi nilai… Konstanta Hubbleyang sebenarnya bukan sebuah konstanta melainkan sebuah pengukuran yang menggambarkan laju ekspansi alam semesta saat ini.

Namun model Lambda CDM tidaklah sempurna. Para ilmuwan telah menghitung laju perluasan dengan mengukur jarak ke galaksi, dan laju perluasan ditunjukkan dalam CDM Lambda menggunakan… Pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik, jangan berbaris. Ahli astrofisika menyebut ketidaksepakatan ini sebagai ketegangan Hubble.

Alam semesta berkembang lebih cepat dari perkiraan model kosmologi populer. Kredit: Tim Sains NASA/WMAP

Ketegangan Hubble

Selama beberapa tahun terakhir, saya telah melakukannya metode pencarian Untuk menjelaskan ketegangan ini Hubble. Ketegangan ini mungkin menunjukkan bahwa model CDM Lambda tidak lengkap dan fisikawan harus memodifikasi modelnya, atau mungkin menunjukkan bahwa sudah waktunya bagi para peneliti untuk memunculkan ide-ide baru tentang cara kerja alam semesta. Ide-ide baru selalu menjadi hal yang paling menarik bagi seorang fisikawan.

Salah satu cara untuk menjelaskan ketegangan Hubble adalah dengan memodifikasi model CDM Lambda dengan mengubah laju ekspansi pada pergeseran merah rendah, pada waktu-waktu terakhir di alam semesta. Memodifikasi model dengan cara ini dapat membantu fisikawan memprediksi fenomena fisik seperti apa yang mungkin menyebabkan kedutan Hubble.

Misalnya, energi gelap mungkin bukan merupakan konstanta kosmologis, melainkan hasil kerja gravitasi dengan cara baru. Jika hal ini terjadi, energi gelap akan berevolusi seiring dengan perluasan alam semesta – dan latar belakang gelombang mikro kosmik, yang menunjukkan seperti apa alam semesta beberapa tahun setelah penciptaannya, akan memiliki prediksi yang berbeda dengan konstanta Hubble.

Tetapi, Penelitian terbaru yang dilakukan oleh tim saya Ia menemukan bahwa fisikawan tidak dapat menjelaskan tensor Hubble hanya dengan mengubah laju ekspansi alam semesta akhir – seluruh solusi ini tidak memadai.

Jelajahi model-model baru

Untuk mempelajari jenis solusi yang dapat menjelaskan tensor Hubble, kami Pengembangan alat statistik Hal ini memungkinkan kami menguji validitas seluruh kelas model yang mengubah laju ekspansi di alam semesta akhir. Alat statistik ini sangat fleksibel, dan kami telah menggunakannya untuk mencocokkan atau meniru model berbeda yang sesuai dengan pengamatan laju ekspansi alam semesta dan mungkin memberikan solusi terhadap tensor Hubble.

Model yang kami uji mencakup model energi gelap yang canggih, di mana energi gelap bertindak secara berbeda pada waktu berbeda di alam semesta. Kami juga menguji model interaksi energi gelap-materi gelap, di mana energi gelap berinteraksi dengan materi gelap, dan memodifikasi model gravitasi, di mana gravitasi bertindak berbeda pada waktu berbeda di alam semesta.

Namun tidak ada satupun yang dapat sepenuhnya menjelaskan kegugupan Hubble. Hasil ini menunjukkan bahwa fisikawan harus mempelajari alam semesta awal untuk memahami sumber ketegangan.

Ditulis oleh Ryan Kelly, peneliti postdoctoral di bidang fisika, University of California, Merced.

Diadaptasi dari artikel yang awalnya diterbitkan di Percakapan.