Heeft een nieuwe anomalie invloed op het hele universum?

Sorry, astronomen: het uitdijende heelal klopt niet.

onbereikbaar

De sterrenstelsels die op deze foto worden getoond, liggen allemaal buiten de Lokale Groep en zijn als zodanig allemaal niet door de zwaartekracht van ons afgescheiden. Als gevolg hiervan wordt het licht ervan, naarmate het universum uitdijt, verschoven naar langere, rodere golflengten, en deze objecten slingeren verder weg, in lichtjaren, dan het aantal jaren dat het licht daadwerkelijk nodig heeft om van hen naar onze aarde te reizen. ogen. Naarmate de uitbreiding meedogenloos doorgaat, zullen ze steeds verder en verder weg komen.

(Credit: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Erkenning: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute)

De grootste anomalie is de Hubble-spanning.

uitbreiding van het heelal

Twee van de meest succesvolle methoden voor het meten van grote kosmische afstanden zijn gebaseerd op hun schijnbare helderheid (L) of hun schijnbare hoekgrootte (R), die beide direct waarneembaar zijn. Als we de intrinsieke fysieke eigenschappen van deze objecten kunnen begrijpen, kunnen we ze gebruiken als standaardkaarsen (L) of standaardlinialen (R) om te bepalen hoe het universum is uitgebreid, en dus waaruit het is gemaakt, gedurende zijn kosmische geschiedenis. De geometrie van hoe helder of hoe groot een object lijkt, is niet triviaal in het uitdijende heelal.

(Tegoed: NASA/JPL-Caltech)

Twee meetmethoden voor expansiesnelheid leveren incompatibele waarden op.

De koude plekken (weergegeven in blauw) in de CMB zijn niet inherent kouder, maar vertegenwoordigen eerder regio’s waar er een grotere zwaartekracht is vanwege een grotere dichtheid van materie, terwijl de hete plekken (in rood) alleen heter zijn omdat de straling in die regio leeft in een ondiepere zwaartekrachtbron. Na verloop van tijd zullen de overdense gebieden veel meer kans hebben om uit te groeien tot sterren, melkwegstelsels en clusters, terwijl de onderdense gebieden dat minder snel zullen doen. Het bewijs van de onvolkomenheden in de CMB en in de grootschalige structuur van het heelal biedt een manier om de uitdijingssnelheid te reconstrueren.

(Tegoed: EM Huff, SDSS-III/Zuidpooltelescoop, Zosia Rostomian)

De vroege relikwiemethode, via kosmische onvolkomenheden, levert 67 km/s/Mpc op.

Pantheon+

Hoewel er veel aspecten van onze kosmos zijn waarover alle datasets het eens zijn, is de snelheid waarmee het heelal uitdijt er niet een van. Alleen al op basis van supernovagegevens kunnen we een expansiesnelheid van ~73 km/s/Mpc afleiden, maar supernova’s onderzoeken niet de eerste ~3 miljard jaar van onze kosmische geschiedenis. Als we gegevens van de kosmische microgolfachtergrond meenemen, die zelf heel dicht bij de oerknal werd uitgezonden, zijn er op dit moment onverenigbare verschillen, maar alleen op het niveau van <10%!

(Credit: D. Brout et al./Pantheon+, ApJ ingediend, 2022)

De afstandsladdermethode, van individueel gemeten objecten, levert 73 km/s/Mpc op.

Terug meten in tijd en afstand (links van „vandaag“) kan informatie geven over hoe het heelal tot ver in de toekomst zal evolueren en versnellen/vertragen. Door de uitdijingssnelheid te koppelen aan de materie-en-energie-inhoud van het heelal en de uitdijingssnelheid te meten, kunnen we een waarde voor een Hubble-tijd in het heelal bedenken, maar die waarde is geen constante; het evolueert naarmate het universum uitdijt en de tijd voortgaat.

(Tegoed: Saul Perlmutter/UC Berkeley)

Maar een andere anomalie van kosmische imperfectie is even raadselachtig.

uitbreiding van het heelal

Het gebruik van de kosmische afstandsladder betekent het aan elkaar naaien van verschillende kosmische schalen, waarbij men zich altijd zorgen maakt over onzekerheden waar de verschillende „sporten“ van de ladder aansluiten. Zoals hier te zien is, hebben we nu nog maar drie „sporten“ op die ladder, en de volledige reeks metingen komt spectaculair met elkaar overeen.

(Credit: AG Riess et al., ApJ, 2022)

Denk aan de kosmische microgolfachtergrond (CMB): overgebleven straling van de oerknal.

Volgens de oorspronkelijke waarnemingen van Penzias en Wilson straalde het galactische vlak enkele astrofysische stralingsbronnen uit (midden), maar boven en onder was alles wat overbleef een bijna perfecte, uniforme achtergrond van straling. De temperatuur en het spectrum van deze straling zijn nu gemeten en de overeenkomst met de voorspellingen van de oerknal is buitengewoon. Als we microgolflicht met onze ogen zouden kunnen zien, zou de hele nachtelijke hemel eruitzien als het groene ovaal dat wordt weergegeven.

(Tegoed: NASA/WMAP Wetenschapsteam)

Hoewel meestal uniform, is de ene richting ~ 3,3 millikelvin heter, terwijl de andere richting even koeler is.

Hoewel de kosmische microgolfachtergrond in alle richtingen dezelfde ruwe temperatuur heeft, zijn er 1-op-800 afwijkingen in één bepaalde richting: consistent met onze beweging door het heelal. Bij 1-deel-in-800 de totale grootte van de amplitude van de CMB zelf, komt dit overeen met een beweging van ongeveer 1-deel-in-800 de lichtsnelheid, of ~368 km/s vanuit het perspectief van de zon.

(Krediet: J. Delabrouille et al., A&A, 2013)

Deze „CMB-dipool“ weerspiegelt de relatieve beweging van onze zon ten opzichte van de CMB: van ~370 km/s.

Een nauwkeurig model van hoe de planeten om de zon draaien, die vervolgens in een andere bewegingsrichting door de melkweg beweegt. De afstand van elke planeet tot de zon bepaalt de hoeveelheid totale straling en energie die deze ontvangt, maar dit is niet de enige factor die een rol speelt bij het bepalen van de temperatuur van een planeet. Bovendien beweegt de zon door de Melkweg, die door de Lokale Groep beweegt, die door het grotere heelal beweegt.

(Tegoed: Rhys Taylor)

Onze Lokale Groep beweegt veel sneller: ~620 km/s.

Deze geïllustreerde kaart van onze lokale supercluster, de Maagd-supercluster, meet meer dan 100 miljoen lichtjaar en bevat onze Lokale Groep, die de Melkweg, Andromeda, Triangulum en ongeveer 60 kleinere sterrenstelsels bevat. De overdichte gebieden trekken ons door de zwaartekracht aan, terwijl de gebieden met een ondergemiddelde dichtheid ons effectief afstoten ten opzichte van de gemiddelde kosmische aantrekkingskracht.

(Credit: Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons)

Dit zou te wijten moeten zijn aan kosmische, zwaartekracht-imperfecties die aan ons trekken.

Omdat materie ruwweg uniform over het heelal is verdeeld, zijn het niet alleen de overdichte gebieden die onze bewegingen beïnvloeden, maar ook de onderdense gebieden. Een kenmerk dat bekend staat als de dipoolafstoter, hier geïllustreerd, werd pas onlangs ontdekt en kan de eigenaardige beweging van onze Lokale Groep ten opzichte van de andere objecten in het heelal verklaren.

(Credit: Y. Hoffman et al., Natuurastronomie, 2017)

Nabije melkwegbewegingen ondersteunen dit beeld consequent.

De bewegingen van nabije sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels (zoals weergegeven door de ‚lijnen‘ waarlangs hun snelheden vloeien) worden in kaart gebracht met het massaveld in de buurt. De grootste overdensiteiten (in rood/geel) en onderdensiteiten (in zwart/blauw) kwamen voort uit zeer kleine zwaartekrachtsverschillen in het vroege heelal. In de nabijheid van de meest dichtbevolkte gebieden kunnen individuele sterrenstelsels met eigenaardige snelheden van vele duizenden kilometers per seconde bewegen, maar wat we zien komt over het algemeen overeen met onze waargenomen lokale beweging door het heelal.

(Credit: HM Courtois et al., Astronomical Journal, 2013)

Bewegingstralers op grotere afstand zijn er echter in strijd mee.

Op schalen groter dan onze lokale supercluster, of meer dan een paar honderd miljoen lichtjaren, zien we geen verschillen meer in verschillende richtingen die overeenkomen met onze verwachte, gemeten beweging door het heelal. In plaats daarvan zijn de waargenomen effecten inconsistent, zowel met de metingen van het lokale heelal als met elkaar in veel gevallen.

(Credit: Andrew Z. Colvin en Zeryphex/Astronom5109; Wikimedia Commons)

Plasma’s binnen clusters geven kleinere algemene bewegingen aan: onder ~260 km/s.

De metingen van de CMB-temperatuur door de Planck-satelliet op kleine hoekschalen kunnen verbeteringen of onderdrukkingen van de temperatuur met tientallen microkelvin onthullen, veroorzaakt door de bewegingen van objecten: het kinetische Sunyaev-Zel’dovich-effect. Van clusters van sterrenstelsels zien ze een effect dat overeenkomt met 0, en dat is aanzienlijk zwakker dan je zou verwachten van onze afgeleide beweging door het heelal.

(Tegoed: Websky-simulaties)

De helderste clusterstelsels laten echter grotere bewegingen zien: ~689 km/s.

grootste sterrenstelsel

Het gigantische melkwegcluster, Abell 2029, herbergt melkweg IC 1101 in de kern. Met een doorsnede van 5,5 tot 6,0 miljoen lichtjaar, meer dan 100 biljoen sterren en de massa van bijna een biljard zonnen, is het volgens vele statistieken het grootste bekende sterrenstelsel van allemaal. Een onderzoek van het helderste sterrenstelsel binnen alle Abell-clusters onthult een kosmische beweging die niet overeenkomt met de CMB-dipool.

(Tegoed: gedigitaliseerde Sky Survey 2; NASA)

Röntgenstraling onthult gigantische (in de verkeerde richting!) van ~900 km/s.

De anisotropieën in het aantal clusters van röntgensterrenstelsels zijn veel groter in omvang en ook in de verkeerde richting dan verwacht op basis van onze beweging door het heelal: nog een voorbeeld van een verrassende maar belangrijke kosmologische spanning.

(Credit: K. Migkas et al., A&A, 2021)

En anisotropieën in melkwegtellingen onthullen meer dan het dubbele van het verwachte effect.

All-sky kaarten van sterrenstelsels onthullen dat er meer sterrenstelsels zijn gevonden met dezelfde helderheids-/afstandsdrempels in de ene richting dan in de andere. Dit zogenaamde raketeffect heeft een voorspelde amplitude van de dipool die wordt gezien in de CMB, maar wat wordt waargenomen is meer dan het dubbele van het voorspelde effect.

(Tegoed: T. Jarrett (IPAC/Caltech))

Het aantal radiosterrenstelsels is nog erger: vier keer de verwachte amplitude.

Wanneer de hele hemel in verschillende golflengten wordt bekeken, worden bepaalde bronnen onthuld die overeenkomen met verre objecten buiten ons melkwegstelsel. Op radiogolflengten kunnen sterrenstelsels in alle richtingen worden gezien, maar het kleine verschil in een reeks richtingen ten opzichte van een andere lijkt aanzienlijk groter dan het verschil dat zou worden verwacht op basis van onze waargenomen beweging door het heelal.

(Credit: ESA, HFI en LFI consortia; CO-kaart van T. Dame et al., 2001)

Quasar-tellingen van WISE hebben hetzelfde probleem.

Met zijn all-sky infraroodonderzoek heeft NASA’s Wide-field Infrared Survey Explorer, of WISE, miljoenen quasar-kandidaten geïdentificeerd, geïdentificeerd over de hele hemel (en hier in een klein gebied weergegeven) met gele cirkels. De clustering van quasars vertoont een abnormaal groot signaal in termen van één richting met hogere quasar-tellingen (en de tegenovergestelde met lagere tellingen) dan verwacht met een veel grotere hoeveelheid dan onze waargenomen bewegingen ons doen verwachten.

(Tegoed: NASA/JPL-Caltech/UCLA)

Grootschalige, aanstaande onderzoeken zouden deze tweede „Hubble-spanning“ krachtig kunnen bevestigen.

De EUCLID-missie van de Europese Ruimtevaartorganisatie, die gepland staat voor lancering in 2023, zal een van de drie grote inspanningen dit decennium zijn, samen met het Vera Rubin-observatorium van de NSF en de Nancy Roman-missie van NASA, om het grootschalige heelal buitengewoon breed en nauwkeurig in kaart te brengen.

(Tegoed: Europees Ruimteagentschap)

Mostly Mute Monday vertelt een astronomisch verhaal in beelden, visuals en niet meer dan 200 woorden. Praat minder; lach meer.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert