استرس ثابت هابل: پازل جدیدی که می تواند فیزیک را تغییر دهد

شاید فکر کنید که ادوین هابل صد سال پیش مشکل انبساط جهان را حل کرد و پاسخ نهایی را داد. اما به یکی از مهمترین مشکلات کیهانی زمان ما تبدیل شده است. سرعت کیهان چقدر است؟ گسترش پیدا کردن؟

در طی یک بررسی کلی از کیهان، ماهواره پلانک تابش پس زمینه کیهانی را ثبت کرد که به عنوان تابش CMB نیز شناخته می شود. این حدود 380000 سال پس از آغاز جهان است. مهبانگدر فضا و زمان پخش شده است و اکنون با تهیه یک نقشه دقیق از آن می توان سرعت انتشار تابش و در نتیجه سرعت انبساط کیهان را محاسبه کرد. در سال 1929 هابل و چندین همکار از داده های رصدی خود برای استخراج سرعت استفاده کردند که به ثابت هابل معروف است.

آنها توانستند با محاسبه سرعت دور شدن یک کهکشان از ما، بر اساس فاصله آن، به این ثابت برسند. اما با داده های امروزی، اخترشناسان توانستند ثابت هابل را با دقتی بی نظیر محاسبه کنند. آنها در پروژه ای به نام معادله ابرنواختر ثابت هابل یا به اختصار هستند. کفش آنها متغیر ثابت هابل را با گرفتن داده ها از یک نوع ستاره به دست آوردند. با این حال، محاسبات به دست آمده با داده های پلانک با نتایج این پروژه در تناقض است.

داده های پلانک، این عدد 67 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک، اما پروژه SHoES 74 به کیلومتر بر ثانیه در مگاپارسک رسید. این ناسازگاری محاسباتی که به عنوان ولتاژ ثابت هابل شناخته می‌شود، در طول سال‌ها رایج‌تر شده است و پس از هر مطالعه گسترده، نتایج متفاوتی حاصل می‌شود. ممکن است همه این تفاوت ها فقط یک محاسبه اشتباه و عاملی در محاسبه باشد، اما ممکن است که این تضاد خود نمایشی از طبیعت باشد، برای درک آن به فیزیک جدید و درک جدیدی از تکامل جهان نیاز داریم. . .

نتایج متناقض

در 4 جولای 2009 نتایج جدیدی از مطالعه کیهان امروز منتشر کردند که نتایج پروژه SHoES را تقویت می کند و از آستانه آماری خاص فیزیکدانان که معیاری برای اندازه گیری اکتشافات جدید است فراتر می رود. یک لحظه فرضیه هیکل جدی و نامتعارف قوت گرفت. اما چند روز بعد، در 28 جولای، نتایج یک مطالعه مستقل دیگر که ثابت هابل را ثابت کرد، منتشر شد. 69.8 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک جایی بین نتایج Planck و ShoES است. اما بیشتر این تفاوت ها در کنفرانس جهانی مدرن اولیه است که در 24 تا 26 جولای همان سال برگزار شد. موسسه فیزیک نظری کولی (کاولی) ساخته و بحث شد.

پروژه SHoES که بیش از یک دهه پیش تأسیس شد، نرخ انبساط جهان را با اندازه‌گیری فواصل کهکشان‌های دیگر اندازه‌گیری می‌کند. فاصله سیارات منظومه شمسی یا ستارگان نزدیک به ما با حرکت آنها در آسمان در یک زمان معین اندازه گیری می شود. اما روش دیگری برای اندازه گیری کهکشان های دور که موقعیت آنها در آسمان تقریباً بدون تغییر است مورد نیاز است. محققین این مطالعه روشنایی ظاهر آنها ابرنواخترهایی را که از انفجار کوتوله های سفید تشکیل شده بودند اندازه گیری کردند. برای یافتن فاصله آنها، محققان نور حاصل را با درخشندگی واقعی ستارگان مقایسه کردند.

در نهایت، ثابت هابل را به قرمز منتقل می کنند و فاصله ستاره را اندازه می گیرند. جابجایی نور ستاره زمانی رخ می دهد که طول موج نور آن طولانی تر شود و به دلیل انبساط جهان قرمزتر به نظر برسد. برای محاسبه روشنایی یک ستاره، ستاره شناسان از داده های روشنایی آن استفاده می کنند. شمع های استاندارد کیهانی کالیبره می کنند. شمع های کیهانی ابرنواختری با روشنایی ثابت هستند و ستاره شناسان می توانند از آنها به عنوان معیاری برای محاسبات دیگر استفاده کنند.

محققان SHoES را برای شمع های ستاره ای استاندارد طراحی می کنند دلتا سفالیک متغیر آنها در نزدیکی زمین استفاده می شوند. این ستاره ها می درخشند تا درخشندگی واقعی خود را منعکس کنند. در نهایت، آنها فاصله کهکشان های دور تا ستاره های دلتای سفالیک را در آنها اندازه گیری می کنند و بنابراین یک ثابت هابل به دست می آورند. اما ستاره شناسان هابل داده های تلسکوپ فضایی هابل را متفاوت محاسبه می کنند. داده های پلانک تابش پس زمینه کیهانی را نشان می دهد و محققان از یک مدل کیهانی استاندارد برای پیش بینی تکامل آن در طول زمان استفاده می کنند. این مدل استاندارد کیهانی است که لاندا یا ماده سرد تاریک است. لاندا سیدیام (Lambda-CDM) تخمینی از اجزای جهان اولیه است که تصویر دقیقی از انبساط جهان در طول زمان ارائه می دهد.

مطالعات مستقل

نتایج که در 4 ژوئیه 1998 منتشر شد، بر اساس داده های پروژه مستقل داده های COSMOGRAIL یا به اختصار لنزهای ثابت هابل است. هالیکاو به دست آمده. هدف این پروژه محاسبه ثابت هابل با جهان مدرن با لنزهای گرانشی بود. عدسی های گرانشی زمانی شکل می گیرند که گرانش زیاد محیط باعث خم شدن نور اجسام دور شده و مانند یک عدسی یا عدسی عمل می کند. داده های این پروژه اخروش‌ها (کوازار) کالیبره کرد که نور آنها تحت تأثیر نیروی گرانشی کهکشان های نزدیک توسط پدیده عدسی گرانشی قرار می گیرد. کوازارها هسته های بسیار فعال کهکشان های جوان با سیاهچاله های بسیار پرجرم در مرکز آنها هستند. نور خاموش کننده تحت تأثیر عدسی های گرانشی می تواند مسافت های طولانی تر یا کوتاه تری را طی کند تا به ما برسد و حتی ممکن است تحت تأثیر گرانش متفاوت قرار گیرد. به همین دلیل است که چندین تصویر از یک اختروش عقب مانده می بینیم.

این تیم از خواص فیزیکی دیگر اختروش ها، مانند انتقال به سرخ و توزیع تصویر لنز گرانشی، برای تصحیح ثابت هابل استفاده کردند. 76.8 در همان واحد گرفته شده است. این داده‌ها، همراه با نتایج پروژه ShoES، تنش بین نتایج محاسبات اولیه جهان پلانک را پنج برابر عدم قطعیت یا پنج سیگما افزایش می‌دهد. این یک عدم قطعیت استاندارد در اکتشاف دنیای فیزیک است و عدم قطعیت این ثابت تقریباً برابر با احتمال خطای آماری است. یک در 3.5 میلیون او انجام میدهد. چنین عددی بسیار بزرگ است و معمولاً در یک محاسبات کیهانی رخ نمی دهد.

در کنفرانس کولی ها در 16 جولای 2009، محققان مؤسسه علوم کارنگی و دانشگاه شیکاگو نتایج کار خود را اعلام کردند که دوباره عدد متفاوتی را برای ثابت هابل نشان داد. این بررسی ها بر اساس داده های پروژه SHoES است که با شمع های استاندارد مختلف کالیبره شده است. این مطالعه هابل را ثابت کرد 69.8 کیلومتر در هر مگاپارک

شمع های استاندارد در این مطالعه ستارگان غول قرمز بودند. آنها ستاره های پیری هستند که اندازه آنها افزایش یافته است و میلیون ها سال سوخت خود را مصرف می کنند و اکنون به جای هیدروژن هلیوم می سوزانند. در نهایت، روند با این منفجر می شود درخشش هلیوم (فلاش هلیوم) به پایان می رسد، این یک انفجار سریع و درخشان است که پس از آن نور ستاره به شدت کاهش می یابد.

مدل های اخترفیزیکی می توانند حداکثر دما و فشاری را که در آن شعله ور شدن هلیوم رخ می دهد و حداکثر درخشندگی یک غول سرخ را پیش بینی کنند. در این صورت، اگر ستاره به این سطح از روشنایی برسد، می تواند به یک شمع استاندارد تبدیل شود. محققان این ستاره ها را یافته اند 18 کهکشان آنها با آنها روی اعداد زیاد برای کالیبره کردن ابرنواخترها کار کردند و در نهایت ثابت هابل را به دست آوردند.

روش مورد استفاده در این تحقیق، علاوه بر ارائه معیار استاندارد مستقل، یکی از مشکلات کار با واکس های استاندارد را نیز بیان می کند. از آنجایی که متغیرهای دلتای سفالیک ستاره هستند جوانان باید آن را در میان ستاره های دیگر یک کهکشان جستجو کرد. اما غول‌های قرمز ستارگان باستانی هستند که در لبه کهکشان‌ها زندگی می‌کنند و اندازه‌گیری روشنایی آنها آسان‌تر و دقیق‌تر است.

در نهایت کدام نتیجه گیری صحیح است؟

اما دوباره برای ثابت هابل، همه این مقادیر می توانند فقط یک خطای محاسباتی در کالیبره کردن داده ها باشند. این تیم تحقیقاتی ابر ماژلانی بزرگاو از کهکشان کوتوله نزدیک برای کالیبره کردن داده‌های غول‌های سرخ استفاده کرد و دیگر ستاره‌شناسان فکر کردند که تیم در محاسبات خود فاصله کهکشان‌های دور را جدی نمی‌گیرد و ثابت هابل اشتباه است.

به علاوه، در کنفرانس کولی ها سه نتیجه دیگر محاسبات ثابت هابل متکی بر ستاره های متغیری بود که از مرکز کهکشان ها تابش می کردند و روشنایی مرکز تا لبه کهکشان ها را محاسبه می کردند. همه این محاسبات جدید ثابت هابل را به نتیجه پروژه SHoES نزدیک کرد و به نظر می رسید که این استرس تازه شروع شده است.

اگر این استرس واقعی باشد، می توان نتیجه گرفت که مدلی که فیزیکدانان برای توصیف جهان اولیه استفاده می کنند ناقص است. اما این مدل تاکنون پیش‌بینی‌های زیادی مبنی بر خارج شدن از آب داشته است و ستاره‌شناسان آن را به این سرعت دوست ندارند. مدل لاندا سیدهام تا کنون بسیار موفق بوده است و به نظر می رسد که این مدل “خطا“همه چیز تا الان”درست است، واقعیاو حدس زد. اگر این مدل واقعا اشتباه است، باید یک تناقض بزرگ در اینجا وجود داشته باشد.

تا به امروز تمام اصلاحات برای مدل لاندا سیدیام ارائه شده مشکلاتی را در پیش بینی های خود ایجاد کرده است. مطمئناً راه‌حل‌هایی پیشنهاد شده‌اند که نتایج را تغییر نمی‌دهند، اما فیزیکدانان به سختی می‌توانند هر چیزی را بدون اثبات شهودی بپذیرند.

با این حال، همه قبول دارند که برای تایید این نتایج به داده های بیشتری نیاز است. اما برخی هنوز احساس می کنند که توجیه استرس مداوم هابل نیازمند فیزیک جدید برای رسیدگی به این موضوع است. جذابتر او انجام میدهد. تاکنون، محققان در مورد این اشتباه پنج‌گانه درست می‌گویند و تمام قطعات پازل را در اختیار دارند و تنها چند قطعه برای تکمیل آن باقی مانده است.