Setelah Big Bang, Semesta hampir seragam sempurna, dan penuh dengan materi, energi dan radiasi dalam keadaan berkembang pesat. Seiring berjalannya waktu, Semesta tidak hanya membentuk unsur, atom, dan rumpun dan kelompok bersama-sama, yang mengarah ke bintang dan galaksi, tetapi mengembang dan mendingin sepanjang waktu. Tidak ada alternatif yang bisa menandinginya. (NASA / GSFC)

Beginilah Cara Para Astronom Akan Menyelesaikan Kontroversi Alam Semesta yang Berkembang

Ketika dua teknik yang berbeda memberikan dua hasil yang berbeda, baik seseorang salah, atau sesuatu yang luar biasa terjadi.

Bayangkan Anda adalah seorang ilmuwan yang mencoba mengukur beberapa properti Semesta. Jika Anda ingin tahu tentang cara kerja sesuatu, Anda harus menemukan cara untuk menyimpulkan tidak hanya apa yang terjadi, tetapi dalam jumlah berapa. Ini adalah tugas yang sulit; Anda ingin tidak hanya jawaban kualitatif untuk pertanyaan tentang apa yang terjadi, tetapi bagian kuantitatif juga, menjawab pertanyaan "seberapa banyak?"

Dalam kosmologi, salah satu tantangan besar adalah mengukur ekspansi Semesta. Kami sudah tahu sejak tahun 1920-an bahwa Alam Semesta berkembang, meskipun merupakan tugas bagi generasi untuk menentukan “seberapa banyak?” Ada sejumlah kelompok yang berbeda saat ini menggunakan banyak teknik berbeda untuk mengukur hal itu. Jawaban yang mereka dapatkan secara konsisten masuk ke dalam salah satu dari dua kategori, tetapi tidak sesuai satu sama lain. Inilah cara kami merencanakan untuk menyelesaikan teka-teki ini.

Sejarah alam semesta yang mengembang, termasuk terdiri dari apa itu saat ini. (ESA DAN KOLABORASI PLANCK (UTAMA), DENGAN MODIFIKASI OLEH E. SIEGEL; NASA / WIKIMEDIA PENGGUNA UMUM 老陳 (INSET))

Dari generasi ke generasi, para astronom, astrofisikawan, dan kosmolog berusaha memperbaiki pengukuran laju ekspansi Semesta: konstanta Hubble. Inilah sebabnya kami merancang dan membangun Teleskop Luar Angkasa Hubble. Proyek utamanya adalah melakukan pengukuran ini, dan sangat sukses. Tingkat yang didapatnya adalah 72 km / s / Mpc, dengan ketidakpastian hanya 10%. Hasil ini, yang diterbitkan pada tahun 2001, memecahkan kontroversi setua hukum Hubble itu sendiri.

Namun pada tahun 2019, yang baru telah muncul. Satu kamp, ​​menggunakan peninggalan dari tahap awal Big Bang, terus mendapatkan nilai ~ 67 km / s / Mpc, dengan ketidakpastian yang diklaim hanya 1-2%. Kamp lainnya, menggunakan pengukuran dari Universe yang relatif dekat, mengklaim ~ 73 km / s / Mpc, dengan ketidakpastian hanya 2-3%. Kesalahan ini sangat kecil sehingga tidak lagi tumpang tindih. Ada yang salah, dan kami tidak tahu di mana.

Ketegangan pengukuran modern dari jarak tangga (merah) dengan data sinyal awal dari CMB dan BAO (biru) ditunjukkan untuk kontras. Masuk akal bahwa metode sinyal awal sudah benar dan ada cacat mendasar dengan tangga jarak; masuk akal bahwa ada kesalahan skala kecil yang membiaskan metode sinyal awal dan jarak tangga benar, atau bahwa kedua kelompok itu benar dan beberapa bentuk fisika baru (ditunjukkan di atas) adalah biang keladinya. Tetapi saat ini, kami tidak dapat memastikan. (ADAM RIESS (PRIVATE COMMUNICATION))

Semesta lebih kecil, lebih panas, dan lebih padat di masa lalu. Cahaya dari lokasi mana pun di ruang angkasa perlu melakukan perjalanan melalui Alam Semesta yang mengembang untuk sampai ke mata kita. Idealnya, kita dapat mengukur cahaya yang kita terima, menentukan jarak untuk sinyal yang kita ukur, dan menyimpulkan bagaimana Semesta memperluas sejarahnya untuk menghasilkan sinyal yang sebenarnya kita deteksi.

Namun, dua kelas metode yang kami gunakan memberikan hasil yang tidak kompatibel. Ada tiga kemungkinan:

  1. Kelompok "peninggalan awal" keliru. Ada kesalahan mendasar dalam pendekatan mereka terhadap masalah ini, dan itu membiaskan hasil mereka ke arah nilai-nilai rendah yang tidak realistis.
  2. Kelompok "tangga jarak" keliru. Ada semacam kesalahan sistematis dalam pendekatan mereka, membiaskan hasil mereka ke arah nilai yang salah dan tinggi.
  3. Kedua kelompok itu benar, dan ada semacam fisika baru yang berperan bertanggung jawab atas kedua kelompok yang memperoleh hasil yang berbeda.
Lilin standar (L) dan penggaris standar (R) adalah dua teknik berbeda yang digunakan para astronom untuk mengukur perluasan ruang pada berbagai waktu / jarak di masa lalu. Berdasarkan bagaimana kuantitas seperti luminositas atau perubahan ukuran sudut dengan jarak, kita dapat menyimpulkan sejarah ekspansi Semesta. Menggunakan metode lilin adalah bagian dari tangga jarak, menghasilkan 73 km / s / Mpc. Menggunakan penggaris adalah bagian dari metode sinyal awal, menghasilkan 67 km / s / Mpc. (NASA / JPL-CALTECH)

Tentu saja, semua orang berpikir mereka benar dan tim lain salah. Tapi cara kerja sains bukan dengan cemoohan, tetapi dengan menemukan bukti konklusif yang diperlukan untuk mengatasi skala. Beginilah cara para astronom menyelesaikan kontroversi terbesar dalam kosmologi, dan belajar bagaimana Semesta sebenarnya berkembang.

1.) Apakah kelompok relik awal salah? Kembali sebelum kami memiliki satelit Planck, kami memiliki COBE dan WMAP. Sementara Planck memberi kita peta sisa Ledakan Dahsyat Big Bang ke skala sudut hanya 0,07 °, COBE hanya bisa turun ke sekitar 7 ° dan WMAP, meskipun jauh lebih baik, hanya membuat kita turun sekitar 0,5 °. Ada degenerasi antara tiga parameter terpisah dalam data: kepadatan materi, laju ekspansi, dan indeks spektral skalar. Kembali di era WMAP, data sebenarnya disukai ~ 71 km / s / Mpc, meskipun dengan ketidakpastian besar.

Sebelum Planck, data yang paling cocok menunjukkan parameter Hubble sekitar 71 km / s / Mpc, tetapi nilai sekitar 69 atau lebih sekarang akan terlalu bagus untuk kepadatan materi gelap (sumbu x) yang kami miliki terlihat melalui cara lain dan indeks spektral skalar (sisi kanan sumbu y) yang kita perlukan untuk struktur skala besar Alam Semesta agar masuk akal. (P.A.R. ADE ET AL. DAN KERJA KERJA PLANCK (2015))

Tidak sampai Planck membawa kami ke skala bersudut yang lebih kecil sehingga kemundurannya rusak, dan kami menemukan tingkat ekspansi harus rendah. Alasannya adalah bahwa skala sudut kecil tersebut mengkodekan informasi tentang indeks spektral skalar (n_s, dalam diagram di bawah), yang mengesampingkan nilai besar dari laju ekspansi (dan, dengan demikian, nilai kecil untuk kepadatan materi), dan mengajar kita bahwa laju ekspansi harus lebih dekat ke 67 km / s / Mpc, dengan ketidakpastian yang sangat kecil.

Namun, ada kemungkinan bahwa ada sesuatu yang tidak benar atau bias dalam analisis kami tentang skala sudut kecil. Itu harus tidak hanya mempengaruhi Planck, tetapi percobaan CMB independen lainnya. Bahkan jika Anda menghindari CMB sepenuhnya, Anda masih mendapatkan hasil yang menunjukkan bahwa metode peninggalan awal menghasilkan tingkat ekspansi yang jauh lebih rendah dari apa yang ditunjukkan oleh jarak tangga.

Meskipun kami tidak berpikir ini mungkin - dan teknik peninggalan awal independen dari osilasi akustik baryon (atau "tangga jarak terbalik") juga menghasilkan hasil yang konsisten - penting untuk diingat bahwa kesalahan kecil yang belum kami pertanggungjawabkan dengan benar karena bisa secara dramatis mengubah kesimpulan kita.

Korelasi antara aspek-aspek tertentu dari besarnya fluktuasi suhu (sumbu y) sebagai fungsi penurunan skala sudut (sumbu x) menunjukkan Semesta yang konsisten dengan indeks spektral skalar 0,96 atau 0,97, tetapi tidak 0,99 atau 1,00. (P.A.R. ADE ET AL. DAN KOLABORASI PLANCK)

2.) Apakah kelompok tangga jarak keliru? Ini yang sulit. Ada banyak teknik berbeda untuk mengukur jarak ke benda-benda di alam semesta yang mengembang, tetapi semuanya memiliki beberapa kesamaan:

  • mereka mulai dengan secara langsung (mis., secara geometris) mengukur jarak ke objek terkenal yang mudah dilihat di galaksi kita sendiri,
  • kita kemudian melihat jenis-jenis objek yang sama di galaksi lain, yang memungkinkan kita untuk menyimpulkan jarak ke galaksi-galaksi tersebut berdasarkan pada sifat-sifat yang diketahui dari objek-objek itu,
  • dan beberapa galaksi itu juga mengandung fenomena astronomi yang lebih terang, memungkinkan kita untuk menggunakannya sebagai titik kalibrasi untuk menggali galaksi yang lebih jauh lagi.

Meskipun, secara historis, ada lebih dari selusin indikator jarak yang berbeda, cara tercepat dan termudah untuk keluar ke jarak kosmik yang besar sekarang hanya melibatkan tiga langkah: paralaks ke bintang variabel yang dikenal sebagai Cepheid di galaksi kita sendiri; Cepheids individu di galaksi lain, beberapa di antaranya juga tipe rumah Ia supernova; dan kemudian ketik Ia supernova di seluruh Semesta.

Pembangunan tangga jarak kosmik melibatkan pergi dari Tata Surya kita ke bintang-bintang ke galaksi terdekat ke yang jauh. Setiap

Dengan menggunakan metode ini, kami mendapatkan tingkat ekspansi 73 km / s / Mpc, dengan ketidakpastian sekitar 2-3%. Ini jelas tidak konsisten dengan hasil dari kelompok peninggalan awal. Dapat dipahami, banyak yang khawatir tentang sejumlah sumber kesalahan yang mungkin terjadi, dan tim yang bekerja pada tangga jarak sangat kecil dibandingkan dengan tim yang bekerja dengan metode peninggalan awal.

Namun, ada banyak alasan untuk tim tangga jarak jauh untuk percaya diri dalam hasil mereka. Kesalahan mereka diukur dengan baik seperti yang bisa diharapkan, ada pemeriksaan silang independen pada kalibrasi Cepheid selain paralaks, dan satu-satunya perangkap potensial adalah "tidak diketahui tidak diketahui," yang secara realistis dapat mengganggu sub-bidang astronomi di setiap waktu. Namun, ada rencana untuk melakukan yang lebih baik lagi. Ini adalah beberapa cara yang dilakukan para astronom untuk memeriksa apakah tangga jarak kosmik benar-benar memberikan pengukuran yang andal dari laju ekspansi Semesta.

Empat kosmologi yang berbeda mengarah pada fluktuasi yang sama pada CMB, tetapi mengukur satu parameter secara independen (seperti H_0) dapat memecah degenerasi itu. Ahli kosmologi yang bekerja pada tangga jarak berharap untuk mengembangkan skema mirip pipa untuk melihat bagaimana kosmologinya bergantung pada data yang disertakan atau dikecualikan (MELCHIORRI, A. & GRIFFITHS, L.M., 2001, NEWAR, 45, 321)

Bisakah kita mengembangkan pipa untuk input jarak tangga seperti yang kita miliki untuk input relik awal? Saat ini, ada banyak program yang dapat mengambil satu set parameter kosmologis dan memberi Anda latar belakang gelombang mikro kosmik yang diharapkan, atau dapat mengambil latar belakang gelombang mikro kosmik yang diamati dan memberi Anda parameter kosmologis yang disiratkan oleh pengukuran tersebut.

Anda dapat melihat bagaimana, saat data Anda berubah, parameter seperti kerapatan materi, persamaan keadaan energi gelap, atau laju ekspansi bervariasi, beserta bilah galatnya.

Tim tangga jarak berusaha untuk mengembangkan pipa yang serupa; seseorang belum ada. Ketika sudah selesai, kita harus bisa mendapatkan pembacaan yang lebih akurat tentang sistematika mereka, tetapi dengan cara yang unggul dari apa yang kita miliki saat ini. Kami akan dapat melihat, ketika berbagai titik / set data dimasukkan atau dikecualikan, bagaimana nilai rata-rata dan ketidakpastian dalam nilai laju ekspansi peka terhadapnya. (Meskipun, pada tahun 2016, ada lebih dari 100 model yang dipertimbangkan dalam analisis supernova, dan bervariasi di antara mereka gagal menjelaskan perbedaan dalam semua bentuk.)

Dua cara berbeda untuk membuat supernova Tipe Ia: skenario akresi (L) dan skenario merger (R). Belum diketahui mana dari kedua mekanisme ini yang lebih umum dalam penciptaan peristiwa supernova Tipe Ia, atau jika ada komponen yang belum ditemukan untuk ledakan ini. Dengan memeriksa daerah di mana tidak ada binari yang bertambah, kita bisa menghilangkan potensi kesalahan sistematis dengan jarak tangga. (NASA / CXC / M. WEISS)

Salah satu sumber kesalahan potensial adalah bahwa ada dua kelas supernova tipe Ia: dari bertambahnya white dwarf dan dari penggabungan white dwarf. Ada bintang-bintang tua di mana-mana, artinya kita harus melihat penggabungan katai putih di mana-mana. Tetapi hanya di daerah di mana bintang-bintang baru terbentuk atau baru saja terbentuk (dikenal sebagai daerah HII) kita dapat memperoleh kerdil putih yang bertambah. Menariknya, bintang variabel Cepheid, yang juga merupakan bagian dari tangga jarak, hanya ditemukan di daerah yang telah membentuk bintang baru juga.

Kita tidak bisa memisahkan kelas supernova mana yang kita lihat ketika kita melihat di daerah yang kaya Cepheid. Tetapi jika kita melihat di lokasi di mana tidak ada bintang muda, kita dapat yakin bahwa kita melihat supernova dari penggabungan katai putih. Ada alasan bagus untuk meyakini bahwa sistematis ini kecil dibandingkan dengan perbedaan keseluruhan, tetapi tidak semua orang yakin. Menggunakan indikator jarak menengah yang berbeda, seperti bintang yang berevolusi di ujung cabang raksasa asimptotik yang ditemukan di lingkaran luar galaksi, akan menghilangkan potensi kesalahan sistematis ini. Saat ini ada sekitar selusin pengukuran dari berbagai tim tangga jarak yang menunjukkan kesepakatan yang baik dengan Cepheids, tetapi masih banyak pekerjaan yang masih diperlukan.

Sebuah quasar berlensa ganda, seperti yang diperlihatkan di sini, disebabkan oleh lensa gravitasi. Jika penundaan waktu dari banyak gambar dapat dipahami, dimungkinkan untuk merekonstruksi laju ekspansi untuk Semesta pada jarak quasar yang bersangkutan. (TELESCOPE RUANG HUBBLE NASA, TOMMASO TREU / UCLA, DAN BIRRER ET AL)

Akhirnya, ada pemeriksaan kewarasan tertinggi: menggunakan metode yang sepenuhnya independen yang tidak memiliki tangga jarak sama sekali untuk mengukur tingkat ekspansi. Jika Anda dapat mengukur indikator jarak di berbagai lokasi di seluruh Semesta, baik dekat maupun jauh, Anda akan mendapatkan sinyal yang dapat menyelesaikan masalah sekaligus dan untuk semua. Namun, setiap metode baru akan terhambat dengan memiliki statistik yang rendah dan kesalahan sistematis yang belum ditentukan.

Meski begitu, ada dua cara yang para ilmuwan coba lakukan saat ini. Yang pertama adalah melalui sirene standar, yang merupakan tempat Anda mendapatkan inspirasi dan penggabungan bintang-bintang neutron, meskipun ini akan lebih disukai dekat pada skala kosmik. (Kami telah melihat satu, secara definitif, sejauh ini, tetapi LIGO / Virgo mengharapkan lebih banyak dalam beberapa dekade mendatang.) Yang lain adalah melalui pengukuran waktu tunda dari sinyal yang digandakan berlipatganda dari lensa gravitasi. Set data pertama kali datang sekarang dari sini, dengan empat lensa yang diketahui menunjukkan kesepakatan dengan tim tangga jarak, tetapi masih ada jalan panjang untuk pergi.

Sebuah wilayah ruang tanpa materi di galaksi kita mengungkapkan Semesta di luar, di mana setiap titik adalah galaksi yang jauh. Struktur cluster / void dapat dilihat dengan sangat jelas. Jika kita tinggal di daerah underdense / void, ini mungkin membuat bias jarak tangga dan bintang neutron penggabungan / metode sirene standar jauh dari hasil metode peninggalan / CMB / BAO awal. (ESA / HERSCHEL / SPIRE / HERMES)

Jika hal ini sesuai dengan harapan banyak orang (dan beberapa orang takut), itu berarti bahwa kita harus menggunakan pilihan ketiga - dan yang paling menyusahkan -.

3.) Kedua kelompok sudah benar. Mungkin saja cara kita mengukur laju ekspansi Semesta sangat penting bagi nilai yang kita peroleh. Jika kita mengukur benda-benda terdekat secara kosmis dan melihat ke luar, kita mendapatkan hasil sekitar 73 km / s / Mpc. Jika kita mengukur laju ekspansi dari skala jarak kosmik terbesar, kita mendapatkan hasil 67 km / s / Mpc. Ada sejumlah penjelasan yang menarik untuk ini, termasuk:

  • wilayah lokal kami di Semesta memiliki sifat yang tidak biasa dibandingkan dengan rata-rata (meskipun ini sudah tidak disukai),
  • energi gelap berubah secara tak terduga dari waktu ke waktu,
  • Gravitasi berperilaku berbeda dari yang kami perkirakan pada skala kosmik,
  • atau ada jenis bidang atau kekuatan baru yang menembus Alam Semesta.

Tetapi sebelum kita beralih ke skenario eksotis ini, kita harus memastikan bahwa tidak ada kelompok yang melakukan kesalahan. Bahkan bias kecil dapat menjelaskan keseluruhan kontroversi saat ini, meskipun ada beberapa pemeriksaan independen. Pemahaman kita tentang Alam Semesta yang kita huni dipertaruhkan. Pentingnya melakukan setiap uji tuntas, dan memastikan kami melakukannya dengan benar, tidak dapat dilebih-lebihkan.

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.