James Webb Telescope utdyper mystikken om hastigheten på ekspansjon av kosmos og utfordrer vitenskapen

Nye høypresisjonsmålinger av Telescópio Espacial James Webb har intensivert en av de største debattene i moderne astronomi, og bekrefter en vedvarende avvik i universets ekspansjonshastighet. Resultatene forsterker det forskerne kaller “Hubble-spenningen”, en konflikt mellom verdier målt i lokaluniverset og spådommer basert på det tidlige universet, like etter Big Bang.

Denne grunnleggende divergensen setter spørsmålstegn ved den standard kosmologiske modellen, den mest aksepterte teorien for å forklare utviklingen av kosmos. Ved å validere tidligere data med enestående presisjon, eliminerte Webb muligheten for at målefeil var årsaken til problemet, og tvang det vitenskapelige samfunnet til å vurdere eksistensen av ny fysikk for å forklare fenomenet.

Konstanten til Hubble er parameteren som beskriver hastigheten galaksene beveger seg bort fra hverandre med. Bekreftelsen på at det er to forskjellige verdier for den samme konstanten, avhengig av hvordan og når den måles, antyder at vår forståelse av komponentene i universet, som mørk energi og mørk materie, kan være ufullstendig.

Opprinnelsen til den kosmiske dødgangen

Kontroversen ligger i den numeriske forskjellen mellom to former for måling. Observações av det nærliggende universet, ved hjelp av stjerner som Esses-data, nå raffinert av James Webb, er i samsvar med målinger gjort av Telescópio Espacial Hubble over flere tiår.

På den annen side forutsier analyser av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen – et ekko av Big Bang – utført av oppdrag som Planck-satellitten til Agência Espacial Europeia (ESA), en langsommere ekspansjonshastighet, rundt 67 kilometer per sekund per megaparsek. Essa forskjell, selv om den virker liten, er statistisk signifikant og kan ikke ignoreres, noe som peker på en feil i vår forståelse av kosmisk historie.

Edwin Hubbles arv og utvidelse

Ideen om et ekspanderende univers ble etablert på 1920-tallet av astronomen Edwin Hubble. Ele observerte at de fleste galakser beveget seg bort fra vår og at de fjerneste beveget seg raskere. Essa revolusjonerende oppdagelse ga opphav til Hubble konstanten, en pilar i moderne kosmologi.

Å bestemme den nøyaktige verdien av denne konstanten er avgjørende for flere områder av astrofysikk. Tallet påvirker direkte beregninger om universets alder, anslått til omtrent 13,8 milliarder år, og hjelper til med å bestemme andelen av dets grunnleggende ingredienser.

Enhver endring i konstanten til Hubble gir gjenklang i vår forståelse av mørk energi, den mystiske kraften som akselererer kosmisk ekspansjon, og mørk materie, som utgjør det meste av universets masse. Den nøyaktige verdien er avgjørende for å forutsi den endelige skjebnen til kosmos.

Ulike kosmiske målemetoder

Astronomer bruker to forskjellige tilnærminger for å beregne konstanten til Hubble, og de motstridende resultatene fra begge gir opphav til spenningen. Den første metoden fokuserer på det “lokale” eller nyeste universet. Ele er basert på konstruksjonen av en “kosmisk avstandsstige”, som bruker objekter med kjent lysstyrke for å måle galaktiske avstander.

Cefeidas variable stjerner, som pulserer med en rytme som er direkte relatert til deres iboende lysstyrke, fungerer som de første trinnene på denne stigen. På større avstander bruker astronomer supernovaer av typen Ia, stjerneeksplosjoner som når en ekstremt konsistent topplysstyrke, og fungerer som kosmiske beacons.

Den andre metoden ser inn i den fjerne fortiden, og analyserer den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB). Essa fossilt lys, som sendes ut bare 380 000 år etter Big Bang, bærer et kart over forholdene i universet i sin spede begynnelse. Ved å analysere små temperatursvingninger i CMB, kan forskere bruke den standard kosmologiske modellen til å forutsi hva ekspansjonshastigheten bør være i dag.

James Webbs evne til å observere i infrarødt lar den måle lyset fra Cefeidas mer presist, ettersom det kan passere gjennom det kosmiske støvet som tilslørte Hubble-observasjonene. Essa forbedret klarhet bekreftet at lokale målinger er korrekte, og utdyper mysteriet i stedet for å løse det.

Den avgjørende rollen til James Webb-teleskopet

De siste bidragene fra James Webb var avgjørende for å styrke spenningen til Hubble. Ved å observere Cefeidas i galakser som også har supernovaer av typen Ia, kalibrerte teleskopet den kosmiske avstandsstigen med enestående presisjon. Dataene som ble oppnådd stemte perfekt med Hubble-resultatene, og eliminerte hypotesen om at systematiske feil i instrumentene eller metodikken var skyld i avviket.

Videre, i observasjonsprogrammer som PEARLS (Prime Extragalactic Areas for Reionization og Essas gir observasjoner en uavhengig metode for å måle konstanten til Hubble, og de første resultatene peker også på den høyere verdien, og forsterker målingene i lokaluniverset.

Reevaluering av standardmodellen av universet

Utholdenheten til Hubble-spenningen antyder at det kan være noe fundamentalt galt eller ufullstendig i Lambda-CDM-modellen, teorien som beskriver sammensetningen og utviklingen av universet. Este-modellen antar at kosmos er sammensatt av vanlig materie, kald mørk materie (Cold Dark Matter) og en konstant mørk energi, representert ved den greske bokstaven Lambda. Avviket indikerer at en eller flere av disse komponentene kan oppføre seg annerledes enn tidligere antatt. En av de mest diskuterte hypotesene er eksistensen av en “primordial mørk energi”, en form for energi som ville ha påvirket ekspansjonshastigheten til universet kort tid etter Big Bang og deretter forsvunnet. Outras-muligheter inkluderer ukjente interaksjoner mellom mørk materie og andre partikler, eller eksistensen av eksotiske subatomære partikler som sterile nøytrinoer. Resolver denne gåten kan føre til en ny revolusjon innen fysikk, som redefinerer vårt syn på de grunnleggende lovene som styrer kosmos.

Fremtiden til observasjonskosmologi

Det globale astronomiske samfunnet, inkludert forskere fra NASA og ESA, er mobilisert for å undersøke Hubble-stammen. Debatten handler ikke lenger om avviket er reelt, men heller om hva det betyr.

Nye forskningsgrenser

James Webb vil fortsette å spille en sentral rolle, med observasjonsprogrammer dedikert til å videreutvikle målinger av den kosmiske avstandsstigen. Målet er å redusere usikkerheten til et så lavt nivå at teoretiske forklaringer kan testes grundig.

I mellomtiden kan andre observatorier, både i verdensrommet og på land, som den kommende Observatório Vera C.