'Model kosmologi kita mungkin rusak': Studi baru mengungkapkan bahwa alam semesta berkembang terlalu cepat untuk dijelaskan oleh fisika

Ketegangan Hubble semakin meningkat – dengan pengukuran baru yang mengungkapkan bahwa alam semesta mengembang lebih cepat daripada yang dapat dijelaskan oleh pemahaman fisika kita saat ini.
Selama dekade terakhir, kosmologi telah terlibat dalam krisis yang semakin besar. Hal ini dipicu oleh observasi yang pertama kali dilakukan oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble dan kemudian oleh Teleskop Luar Angkasa James Webbbahwa alam semesta mengembang dengan kecepatan yang berbeda-beda bergantung pada sudut pandang para astronom.
Kini, hasil baru yang menggunakan gugus galaksi di halaman belakang kosmik kita semakin menegaskan perbedaan tersebut, sehingga membuka peluang bagi kosmologi untuk melakukan penulisan ulang secara besar-besaran. Para peneliti mempublikasikan temuan mereka pada 15 Januari Surat Jurnal Astrofisika.
“Ketegangan kini berubah menjadi krisis,” penulis utama Dan Scolnicseorang profesor fisika di Duke University, mengatakan dalam sebuah pernyataan. “Hal ini menunjukkan, dalam beberapa hal, bahwa model kosmologi kita mungkin rusak.”
Ada dua metode standar emas untuk menghitung konstanta Hubble – nilai yang mengukur kecepatan ekspansi alam semesta. Yang pertama diambil dengan mengukur fluktuasi kecil dalam latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) – sebuah potret kuno dari cahaya pertama alam semesta yang terkandung dalam gelombang mikro statis yang dihasilkan hanya 380.000 tahun setelah Ledakan Besar.
Terkait: 'Ini bisa jadi sangat mendalam': Bagaimana astronom Wendy Freedman mencoba memperbaiki alam semesta
Metode kedua beroperasi pada jarak yang lebih dekat (di akhir kehidupan alam semesta) dengan menggunakan bintang-bintang yang berdenyut yang disebut Variabel Cepheid. Bintang Cepheid perlahan-lahan mati, dan lapisan luar gas heliumnya tumbuh dan menyusut saat menyerap dan melepaskan radiasi, membuatnya berkedip-kedip seperti lampu sinyal di kejauhan.
Saat Cepheid semakin terang, denyutnya menjadi lebih lambat, sehingga memungkinkan para astronom mengukur kecerahan intrinsik bintang. Dengan membandingkan kecerahan bintang sebenarnya dengan kecerahan yang diamati dari Bumi dan menggunakan supernova Tipe Ia (yang meledak dengan luminositas yang sama di mana pun) sebagai jangkar, para astronom dapat merangkai pembacaan Cepheid menjadi “tangga jarak kosmik” untuk mengintip lebih dalam ke masa lalu alam semesta.
Tapi di sinilah sakit kepala dimulai. Menggunakan Badan Antariksa Eropa Satelit Planck untuk mengukur CMB, ahli kosmologi memperoleh konstanta Hubble sekitar 67 kilometer per detik per megaparsec (km/s/Mpc).
Hasil ini, di samping pengukuran lain dari alam semesta awalselaras dengan prediksi yang dibuat oleh model standar kosmologi. Namun hal ini dengan cepat dibantah oleh pengukuran tangga jarak Cepheid yang mengungkapkan laju ekspansi sebesar 73 km/s/Mpc — nilai yang jauh di luar rentang kesalahan pengukuran Planck, dan indikasi jelas bahwa alam semesta mengembang jauh lebih cepat daripada teori. izin.
Para astronom telah memberikan berbagai penjelasan mengenai penyebab perselisihan tersebut, dan beberapa diantaranya mencoba untuk mencari tahu kemungkinan kesalahan sistematik dalam hasil. Sementara itu, pihak lain semakin memperparah ketegangan semakin tepat pengukuran jarak tangga.
Untuk menyelidiki ketegangan lebih lanjut, tim di balik studi baru ini menggunakan tangga jarak jauh yang dibuat dengan data diambil dari Instrumen Spektroskopi Energi Gelap (DESI), yang menunjukkan dengan tepat posisi bulanan jutaan galaksi untuk mempelajari bagaimana alam semesta mengembang hingga saat ini.
Namun, meskipun data DESI asli menghasilkan hasil yang sama meresahkannya untuk model standar kosmologi — konstanta Hubble sebesar 76,05 km/s/Mpc, bahkan lebih jauh lagi di luar rentang kesalahan pengukuran Planck — terdapat ketidakpastian mengenai jarak ke anak tangga pertama. di dekat gugus galaksi Coma mengaburkan temuan tersebut.
“Kolaborasi DESI melakukan bagian yang sangat sulit, tangga mereka kehilangan anak tangga pertama,” kata Scolnic. “Saya tahu cara mendapatkannya, dan saya tahu bahwa itu akan memberi kita salah satu pengukuran konstanta Hubble paling tepat yang bisa kita dapatkan, jadi ketika makalah mereka diterbitkan, saya benar-benar meninggalkan segalanya dan mengerjakannya tanpa henti.”
Untuk memperkuat perkiraan DESI, Scolnic dan timnya mempelajari 12 supernova Tipe Ia berbeda yang tersebar di cluster Coma. Mereka menemukan bahwa gugus tersebut berada sekitar 320 juta tahun cahaya dari Bumi – sebuah perkiraan yang tidak ada artinya jika dibandingkan dengan pengukuran sebelumnya yang dilakukan dalam setengah abad terakhir.
Dengan anak tangga pertamanya yang lebih kokoh, tangga jarak yang diperbarui menghasilkan hasil 76,5 km/s/Mpc, yang semakin menegaskan ketegangan dan potensinya untuk membatalkan model standar kosmologi. Namun apa yang dapat menggantikan atau memodifikasi teori berusia 40 tahun tersebut masih belum jelas.
“Kami berada pada titik di mana kami sangat menekan model yang telah kami gunakan selama dua setengah dekade, dan kami melihat bahwa segala sesuatunya tidak sesuai,” kata Scolnic. “Ini mungkin mengubah cara kita berpikir tentang Alam Semesta, dan ini menarik! Masih ada kejutan dalam kosmologi, dan siapa yang tahu penemuan apa yang akan terjadi selanjutnya?”