Dette var i de tidlige 1990'ere. Carnegie-observatoriet i Pasadena, Californien, er tomt til juleferien. Wendy Friedman, alene på biblioteket, arbejdede på et enormt og torneret problem: universets udvidelseshastighed. Carnegie var frugtbar grund for denne form for arbejde. Det var her, i 1929, at Edwin Hubble først så fjerne galakser flyve væk fra Mælkevejen og hoppe i den ydre strøm af det ekspanderende rum. Hastigheden af denne strøm blev kendt som Hubble-konstanten.
Friedmans stille arbejde blev snart afbrudt, da kollega-astronom Allan Sandage, Hubbles videnskabelige efterfølger, stormede ind i biblioteket og styrede og forfinede Hubble-konstanten i årtier, og forsvarede det langsomme ekspansionshastighed. Friedman var en af de sidste, der gik ind for højere satser, og Sandage så hendes kætterundersøgelse.
”Han var så vred,” husker Friedman, nu ved University of Chicago, Illinois,”at jeg i det øjeblik indså, at vi var alene i hele bygningen. Jeg tog et skridt tilbage og tænkte, at vi ikke arbejder inden for det hyggeligste inden for videnskabsområderne."
Denne konfrontation er aftaget, men ikke helt. Sandage døde i 2010, og da var de fleste astronomer konvergeret på det smalle bånd Hubble-konstant. De seneste data, som Sandage selv ville have ønsket, antyder imidlertid, at Hubble-konstanten er 8% lavere end det førende antal. I næsten et århundrede har astronomer beregnet det ved omhyggeligt at måle afstande i den nærmeste del af universet og bevæge sig længere og længere. Men for nylig har astrofysikere målt en konstant udvendig baseret på kort over den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB), den ujævn eftergrove fra Big Bang, der er blevet baggrunden for det synlige univers. At antage antagelser om, hvordan push-and-pull af energi og stof i universet har ændret hastigheden for den kosmiske ekspansion, siden den kosmiske mikrobølgebaggrund dannede sig,astrofysikere kan tage deres diagrammer og justere Hubble-konstanten til det aktuelle lokale univers. Tallene skal stemme overens. Men de stemmer ikke overens.
Der er måske noget galt med en af tilgange. Begge sider leder efter mangler i deres egne og andres metoder, og seniorpersoner som Friedman skynder sig at fremlægge deres egne forslag.”Vi ved ikke, hvor dette vil føre,” siger Friedman.
Men hvis der ikke opnås enighed, vil det blive en knæk i den moderne kosmologis kæmper. Dette kan betyde, at eksisterende teorier mangler en ingrediens, der interfererede mellem nutiden og den gamle fortid, vævet ind i kæden af interaktioner mellem CMB og den nuværende Hubble-konstant. Hvis dette er tilfældet, vil historien gentage sig selv. I 1990'erne ledede Adam Riess, i øjeblikket astrofysiker ved Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland, et af holdene, der opdagede mørk energi, en frastødende kraft, der fremskynder universets udvidelse. Dette er en af de faktorer, som CMB-beregninger skal tage højde for.
Nu søger Riesz's team efter Hubble-konstanten i det nærliggende rum og videre. Dets formål er ikke kun at afklare antallet, men også at fange, om det ændrer sig over tid på en sådan måde, at selv mørk energi ikke kan forklare det. Indtil videre har han ringe forståelse for, hvad den manglende faktor kan være. Og han er meget interesseret i hvad der sker.
Salgsfremmende video:
I 1927 gik Hubble ud over Mælkevejen bevæbnet med det største teleskop i verden på det tidspunkt, det 2,5 meter høje teleskop, der ligger på Mount Wilson ovenfor Pasadena. Han fotograferede de svage spiralflekker, som vi nu kender som galakser, og målte rødden af deres lys, da de Doppler skifter mod lange bølger af lys. Sammenlignede rødskiftet af galakser med deres lysstyrke kom Hubble til nysgerrige konklusioner: Den svagere og formodentlig længere væk en galakse var, jo hurtigere var den forsvundet. Følgelig udvides universet. Dette betyder, at universet har en begrænset alder, der begyndte med Big Bang.
Kosmisk modsigelse
Debatten om Hubble-konstanten og hastigheden for udvidelse af universet begyndte at spille med fornyet kraft. Astronomer ankom til en bestemt dato ved hjælp af den klassiske stige af afstande eller astronomiske observationer af det lokale univers. Men disse værdier er i konflikt med kosmologiske estimater foretaget fra kort over det tidlige univers og bundet til nutiden. Det følger af denne kontrovers, at universets vækst kan brænde den manglende ingrediens.
For at bestemme ekspansionshastigheden - og den tilsvarende konstant - havde Hubble brug for reelle afstande til galakser, ikke kun relative afstande baseret på deres tilsyneladende lysstyrke. Derfor begyndte han den møysommelige proces med at opbygge en fjerntrappe - fra Mælkevejen til tilstødende galakser og videre, helt til grænser for det ekspanderende rum. Hver stige på stigen skal kalibreres med "standardlys": genstande, der bevæger sig, pulserer, blinker eller roterer på en sådan måde, at du kan se nøjagtigt, hvor langt de er.
Den første fase virkede pålidelig nok: variable stjerner kaldet Cepheids, der øges og mindskes i lysstyrke i løbet af flere dage eller uger. Længden af denne cyklus indikerer stjernens indre lysstyrke. Ved at sammenligne den observerede lysstyrke af Cepheid med den lysstyrke, der stammede fra dens vibrationer, var Hubble i stand til at beregne afstanden til den. Mount Wilson-teleskopet var i stand til at skelne mellem flere Cepheider i nærliggende galakser. For fjerne galakser antog han, at de lyse stjerner i dem ville have den samme indre lysstyrke. Selv i de fjerneste galakser, antydede Hubble, vil der være standardlys med ensartet lysstyrke.
Naturligvis var disse antagelser ikke de bedste. Den første konstante, der blev offentliggjort af Hubble, var 500 kilometer pr. Sekund pr. Megaparsek - det vil sige, at for hvert 3,25 millioner lysår, han kiggede ud i rummet, skubbede det ekspanderende univers galakser 500 kilometer i sekundet hurtigere. Dette antal var forkert og antydede, at universet kun var 2 milliarder år gammelt, dvs. næsten syv gange mindre, end det antages i dag. Men det var kun begyndelsen.
I 1949 blev konstruktionen afsluttet med 5,1-meter-teleskopet i Palomar i det sydlige Californien, netop i tide til Hubbles hjerteinfarkt. Han overleverede mantelen til Sandage, en trumfobservatør, der brugte de efterfølgende årtier på at udvikle fotografiske plader i løbet af natten sessioner, arbejdede med det kæmpe teleskopapparat, ryster fra kulden og havde brug for pauser.
Med Palomars højere opløsning og høje lys høstkraft var Sandage i stand til at fiske Cepheids fra fjernere galakser. Han indså også, at Hubbles lyse stjerner i det væsentlige var hele stjerne klynger. De var lysere i naturen og derfor meget længere væk end Hubble troede, hvilket blandt andre justeringer indebar en meget lavere Hubble-konstant. I 1980'erne udlignede Sandage på 50, som han hårdt forsvarede. En af hans mest berømte modstandere, den franske astronom Gerard de Vaucouleurs, foreslog en værdi af 50. En af de vigtigste parametre i kosmologien blev bogstaveligt fordoblet.
I slutningen af 1990'erne stillede Friedman sig, efter at have overlevet Sandages verbale misbrug, opgaven med at løse dette puslespil med et nyt værktøj, som om han bevidst blev designet til sit arbejde: Hubble-rumteleskopet. Hans klare syn på atmosfæren gjorde det muligt for Friedmans team at identificere individuelle Cepheider 10 gange længere end Sandage gjorde med Palomar. Nogle gange var der i disse galakser både Cepheider og lysere beacons - type Ia supernovaer. Disse eksploderende hvide dværgstjerner er synlige gennem rummet og bryder ud med konstant og maksimal lysstyrke. Supernovaer, der er kalibreret til Cepheiderne, kan bruges alene til at undersøge de fjerneste rum. I 2001 indsnævrede Friedmans team Hubble-konstanten til 72 plus eller minus 8, hvilket sluttede Sandage-de Vaucouleurs-fejden.”Jeg var udmattet,” siger hun. "Jeg troede,gå aldrig tilbage på arbejde på Hubble-konstanten."
Edwin Hubble
Men så dukkede en fysiker op, der fandt en uafhængig måde at beregne Hubble-konstanten ved hjælp af den mest fjerne og rødskiftede - mikrobølge baggrunden. I 2003 offentliggjorde WMAP-sonden sit første kort, der viste spektrene for temperatursvingninger i CMB. Dette kort indeholdt ikke et standardlys, men et standardkriterium: et mønster af varme og kolde pletter i den oprindelige suppe, skabt af lydbølger, der krusede gennem det nyfødte univers.
Ved at lave et par antagelser om ingredienserne i denne bouillon - i form af velkendte partikler, atomer og fotoner, nogle yderligere usynlige stoffer som mørkt stof og mørk energi - var WMAP-teamet i stand til at beregne den fysiske størrelse af disse oprindelige lydbølger. Det kan sammenlignes med den tilsyneladende størrelse af lydbølger, der er optaget i CMB-pletter. Denne sammenligning gav afstanden til mikrobølgebaggrunden og værdien af universets ekspansionshastighed på det første øjeblik. Ved at tage antagelser om, hvordan almindelige partikler, mørk energi og mørkt stof har ændret ekspansion siden da, var WMAP-teamet i stand til at bringe konstanten på linje med dens nuværende dræbningshastighed. De dedikerede oprindeligt en værdi på 72, alt efter hvad Friedman fandt.
Men siden da har astronomiske målinger af Hubble-konstanten vist højere værdier, selvom fejlen er faldet. I de nylige publikationer er Riess trådt frem ved hjælp af et infrarødt kamera installeret i 2009 på Hubble-teleskopet, som både kan bestemme afstandene til Mælkevejens Cepheids og fremhæve deres fjerneste, rødere kusiner fra de blåere stjerner, der normalt omgiver Cepheids. Det sidste resultat, der blev givet af Riess-teamet, var 73,24.
I mellemtiden stoppede Planck-missionen (ESA), der viste CMB i høj opløsning og med øget temperaturnøjagtighed på 67,8. I henhold til statistikkerne er disse to mængder adskilt med et hul på 3,4 sigma - ikke 5 sigma, som i partikelfysik taler om et markant resultat, men næsten.”Det er svært at forklare det ved statistisk fejl,” siger Chuck Bennett, en astrofysiker ved Johns Hopkins University, der ledede WMAP-teamet.
Hver side peger en finger mod den anden. Georg Ephstatius, den førende kosmolog i Plancks team ved University of Cambridge, siger, at Plancks data er "helt umiskendelige." En frisk analyse af Plancks resultater i 2013 fik ham til at tænke. Han downloadede Riesz-dataene og offentliggjorde sin egen analyse med en lavere og mindre nøjagtig Hubble-konstant. Han mener, at astronomer famlede efter en "beskidt" stige.
Som svar hævder astronomer, at de foretager en faktisk måling af det moderne univers, da CMB-målemetoden er afhængig af mange kosmologiske antagelser. Hvis de ikke konvergerer, siger de, hvorfor ikke ændre kosmologi? I stedet “Georg Ephstatius kommer ud og siger, jeg vil revurdere alle dine data,” siger Barry Mador fra University of Chicago, mand og kollega til Friedman siden 1980'erne. Hvad skal man gøre? Den gordiske knude skal klippes.
Wendy Friedman mente, at hendes undersøgelse fra 2001 havde afsløret Hubble-konstanten, men kontroversen er igen.
På siden af astronomer er der en metode, der kaldes gravitationslinse. Omkring en massiv galakse forvrænger selve tyngdekraften rummet og danner en kæmpe linse, der kan forvrænge lys, der kommer fra en fjern lyskilde som en kvasar. Hvis linsejusteringen og kvasaren er sikker, vil lyset skynde sig ad adskillige stier mod Jorden og skabe mange billeder af linsegalaksen. Hvis du er heldig, vil kvasaren ændre sig i lysstyrke, dvs. flimre. Hvert klonet billede vil også flimre, men ikke på samme tid, fordi lysstrålene fra hvert billede tager forskellige stier gennem det forvrængede rum. Forsinkelsen mellem flimre angiver forskellen i sti-længder; ved at matche dem med størrelsen af galaksen kan astronomer bruge trigonometri til at beregne den absolutte afstand til linsegalaksen. Kun tre galakser er blevet omhyggeligt målt på denne måde, og seks flere undersøges i øjeblikket. I slutningen af januar offentliggjorde astrofysiker Sherri Suyu fra Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland og hendes kolleger deres bedste beregninger af Hubble-konstanten.”Vores dimension passer til stigen afstandstilgang,” siger Suyu.
I mellemtiden har kosmologer også trumfkort op i ærmet: baryoniske akustiske svingninger (BAO). Efterhånden som universet modnes, efterlod de samme lydbølger, der blev præget på CMB, klumper af stof, der voksede ud til galaktiske klynger. Placeringen af galakserne på himlen skal bevare de oprindelige forhold mellem lydbølger, og som tidligere sammenligning af det tilsyneladende mønster med dets beregnede faktiske størrelse bestemmer afstanden. Ligesom CMB-metoden tillader BAO-metoden en kosmologisk antagelse. Men de sidste par år har han opretholdt værdierne af Hubble konstant på niveau med Planck. Den fjerde iteration af Sloan Digital Sky Survey, en global himmelundersøgelse, der kortlægger det galaktiske kort, vil hjælpe med at forfine disse målinger.
Dette betyder ikke, at holdene, der konkurrerer om stigen for afstande, og at CMB simpelthen venter på andre måder at løse tvisten på. For at størkne fundamentet for afstandstigen, afstanden til Cepheids i Mælkevejen, forsøger Det Europæiske Rumagenturs Gaia-mission at bestemme de nøjagtige afstande til en milliard forskellige nærliggende stjerner, inklusive Cepheids. Gaia, der kredser om solen uden for Jorden, bruger det mest pålidelige mål: parallax eller den tilsyneladende forskydning af stjerner i forhold til himmelbaggrunden, når rumfartøjet når modsatte punkter i sin bane. Når det fulde Gaia-datasæt frigives i 2022, vil det give yderligere grund til astronomernes tillid. Riess fandt allerede antydninger til fordel for sin højere Hubble-konstant, da han brugte de foreløbige Gaia-resultater.
Kosmologer håber også at størkne deres målinger med Atacama Cosmological Telescope i Chile og Sydpoleteleskopet, som kan teste Plancks resultater med høj præcision. Og hvis resultaterne nægter at konvergere, vil teoretikere forsøge at lukke kløften.”Det er godt, når modellen går ned. Modelvalidering er ikke interessant."
For eksempel kunne man tilføje en ekstra partikel til Standard Model of the Universe. CMB tilbyder et estimat af det samlede energibudget kort efter Big Bang, da det blev opdelt i stof og høj energistråling. Som følger af Einsteins berømte ækvivalensformel E = mc2, virkede energi som stof og bremsede udvidelsen af rummet med dens tyngdekraft. Men materie er en mere effektiv bremse. Med tiden blev strålingen - fotoner af lys og andre lyspartikler som neutrino - afkølet og mistet energi, gravitationseffekten blev svækket.
Tre kendte neutrinoer kendes i øjeblikket. Hvis der var en fjerde, som antydet af nogle teoretikere, var der lidt mere på strålingssiden i universets oprindelige energibudget, og denne del ville spredes hurtigere. Dette vil igen betyde, at det tidlige univers ekspanderede hurtigere, end ingredienslisten for moderne kosmologi forudsiger. I fremtiden kunne denne tilføjelse forene to forskellige resultater. Men neutrino detektorer har endnu ikke afsløret nogen antydninger af type 4 neutrinoer, og Plancks andre målinger begrænsede den samlede mængde overskydende stråling.
En anden mulighed er den såkaldte fantom mørke energi. Ægte kosmologiske modeller betyder konstant kraft ved mørk energi. Hvis mørk energi bliver stærkere med tiden, vil det forklare, hvorfor kosmos ekspanderer hurtigere i dag, end man skulle tro, at man ser på det tidlige univers. Imidlertid virker variabel mørk energi fuldstændig overflødig. Kosmologer og astrofysikere er tilbøjelige til at tro, at problemerne ligger i eksisterende metoder snarere end i ny fysik.
Friedman mener, at den eneste løsning - at bekæmpe ild med ild - ligger i nye observationer af universet. Sammen med Mador forbereder de sig på at gennemføre en separat måling, der ikke kun er kalibreret for Cepheids, men også for andre typer af variable stjerner og lyserøde giganter. De nærmeste eksempler kan studeres ved hjælp af et automatisk teleskop på 30 centimeter bredt, og fjerne eksempler vil hjælpe med at udforske Hubble og Spitzer rumteleskoper. Når hun først har været i stand til at klare det mørke og voldelige Sandage, er hun klar til at besvare Planck og Riesz-holdets modige udfordring.
”De sagde, at vi havde forkert. Nå, lad os se,”spøger hun.
ILYA KHEL