Detta var i början av 1990-talet. Carnegie-observatoriet i Pasadena, Kalifornien, är tomt för julen. Wendy Friedman, ensam på biblioteket, arbetade med ett stort och taggigt problem: universums expansion. Carnegie var bördig mark för denna typ av arbete. Det var här, 1929, som Edwin Hubble först såg avlägsna galaxer flyga bort från Vintergatan och studsade i den yttre strömmen av det expanderande rymden. Flödets hastighet blev känd som Hubble-konstanten.
Friedmans tysta arbete avbröts snart när kollegas astronom Allan Sandage, Hubbles vetenskapliga efterföljare, rusade in i biblioteket och styrde och förfinade Hubble-konstanten i årtionden och försvarade den långsamma expansionshastigheten. Friedman var en av de sista som förespråkade högre priser och Sandage såg hennes kätterska utforskning.
”Han var så arg,” minns Friedman, nu vid University of Chicago, Illinois,”att jag just i det ögonblicket insåg att vi var ensamma i hela byggnaden. Jag tog ett steg tillbaka och tänkte att vi inte arbetar inom det vänligaste av vetenskapsområdena."
Denna konfrontation har avtagit, men inte helt. Sandage dog 2010, och då hade de flesta astronomer konvergerat på det smala bandet Hubble-konstanten. De senaste uppgifterna, som Sandage själv skulle ha velat, tyder dock på att Hubble-konstanten är 8% lägre än det ledande antalet. Under nästan ett sekel har astronomer beräknat det genom att noggrant mäta avstånd i den närmaste delen av universumet och gå längre och längre. Men nyligen mätte astrofysiker en konstant utsida baserat på kartor över den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), den ojämna efterglödningen från Big Bang som blev bakgrunden för det synliga universum. Antaganden om hur push-and-pull av energi och materia i universum har förändrat hastigheten för kosmisk expansion sedan den kosmiska mikrovågsbakgrunden bildades,astrofysiker kan ta sina diagram och anpassa Hubble-konstanten till det nuvarande lokala universum. Siffrorna måste matcha. Men de matchar inte.
Kanske är det något fel med en av metoderna. Båda sidor letar efter brister i sina egna och andras metoder, och seniorpersoner som Friedman skyndar sig att presentera sina egna förslag. "Vi vet inte vart detta kommer att leda," säger Friedman.
Men om en överenskommelse inte uppnås, kommer det att bli en spricka i den moderna kosmologins fasthet. Detta kan innebära att befintliga teorier saknar en ingrediens som störde mellan nutid och antik förflutna, vävt i kedjan av interaktioner mellan CMB och nuvarande Hubble-konstant. Om så är fallet kommer historien att upprepa sig. På 1990-talet ledde Adam Riess, för närvarande en astrofysiker vid Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland, ett av lagen som upptäckte mörk energi, en avvisande kraft som påskyndar universums expansion. Detta är en av de faktorer som CMB-beräkningar måste ta hänsyn till.
Nu letar Riesz's team efter Hubble-konstanten i närliggande rymden och därefter. Dess syfte är inte bara att förtydliga antalet, utan också att fånga om det förändras över tiden på ett sådant sätt att till och med mörk energi inte kan förklara det. Hittills har han liten förståelse för vad den saknade faktorn kan vara. Och han är mycket intresserad av vad som händer.
Kampanjvideo:
År 1927 gick Hubble bortom Vintergatan, beväpnad med världens största teleskop, 2,5 meter Hooker-teleskopet, beläget på Mount Wilson ovanför Pasadena. Han fotograferade de svaga spiralfläckarna som vi nu känner som galaxer och mätte rödningen av deras ljus när de Doppler skifter mot långa ljusvågor. Jämförde galaxernas rödförskjutning med deras ljusstyrka kom Hubble till nyfikna slutsatser: desto svagare och förmodligen längre bort en galax var, desto snabbare var det att försvinna. Följaktligen expanderar universum. Detta betyder att universum har en ändlig ålder, som började med Big Bang.
Kosmisk motsägelse
Debatten om Hubble-konstanten och hastigheten för utbyggnad av universum började spela med förnyad kraft. Astronomer anlände vid ett visst datum med hjälp av den klassiska stegen för avstånd eller astronomiska observationer av det lokala universum. Men dessa värden står i konflikt med kosmologiska uppskattningar gjorda från kartor över det tidiga universum och bundna till nutid. Det följer av denna kontrovers att universumets tillväxt kan driva den saknade ingrediensen.
För att bestämma expansionshastigheten - och motsvarande konstant - behövde Hubble verkliga avstånd till galaxer, inte bara relativa avstånd baserat på deras uppenbara ljusstyrka. Därför började han den mödosamma processen med att bygga en avlägsen trappuppgång - från Vintergatan till angränsande galaxer och därefter, till gränserna för det expanderande rymden. Varje steg på stegen måste kalibreras med "standardljus": föremål som rör sig, pulserar, blinkar eller roterar på ett sådant sätt att du kan säga exakt hur långt de är borta.
Det första steget verkade tillförlitligt nog: variabla stjärnor som kallas Cepheids som ökar och minskar i ljusstyrka under flera dagar eller veckor. Längden på denna cykel indikerar stjärnans inre ljusstyrka. Genom att jämföra Cepheids observerade ljusstyrka med ljusstyrkan från dess vibrationer kunde Hubble beräkna avståndet till den. Mount Wilson-teleskopet kunde ta fram flera Cepheider i närliggande galaxer. För avlägsna galaxer antog han att de ljusa stjärnorna i dem skulle ha samma inre ljusstyrka. Även i de mest avlägsna galaxerna, föreslog Hubble, kommer det att finnas stearinljus med enhetlig ljusstyrka.
Uppenbarligen var dessa antaganden inte de bästa. Den första konstanten som publicerades av Hubble var 500 kilometer per sekund per megaparsek - det vill säga för varje 3,25 miljoner ljusår som han tittade ut i rymden pressade det expanderande universum galaxer 500 kilometer per sekund snabbare. Detta antal var felaktigt och antydde att universum bara var 2 miljarder år gammal, det vill säga nästan sju gånger mindre än det tros idag. Men det var bara början.
1949 slutfördes konstruktionen av ett 5,1-meters teleskop i Palomar i södra Kalifornien, precis i tid för Hubbles hjärtattack. Han överlämnade manteln till Sandage, en trumfobservatör som tillbringade de efterföljande decennierna på att utveckla fotografiska plattor under nattliga sessioner, arbetade med den jätte teleskopapparaten, skakande från kylan och behövde pauser.
Med Palomars högre upplösning och höga ljusskördande kraft kunde Sandage fiska ut Cepheids från mer avlägsna galaxer. Han insåg också att Hubbles ljusa stjärnor i huvudsak var hela stjärnkluster. De var ljusare till sin natur och därför mycket längre bort än Hubble trodde, vilket bland andra justeringar antydde en mycket lägre Hubble-konstant. På 1980-talet bosatte sig Sandage på 50, vilket han hårt försvarade. En av hans mest kända motståndare, den franska astronomen Gerard de Vaucouleurs, föreslog ett värde av 50. En av de viktigaste parametrarna i kosmologin fördubblats bokstavligen.
I slutet av 1990-talet tog Friedman, efter att ha överlevt Sandages verbala övergrepp, uppgiften att lösa detta pussel med ett nytt verktyg, som om medvetet utformats för hennes arbete: Hubble Space Telescope. Hans tydliga syn på atmosfären tillät Friedmans team att identifiera enskilda Cepheider 10 gånger längre än Sandage gjorde med Palomar. Ibland i dessa galaxer fanns det både Cepheids och ljusare fyrtecken - typ Ia-supernovaer. Dessa exploderande vita dvärgstjärnor syns genom rymden och bryter ut med konstant och maximal ljusstyrka. Supernovaer, som är kalibrerade till Cepheiderna, kan användas på egen hand för att undersöka de längsta rymden. 2001 minskade Friedmans team Hubble-konstanten till 72 plus eller minus 8, vilket slutade Sandage-de Vaucouleurs-feiden. "Jag var utmattad," säger hon. "Jag trodde,gå aldrig tillbaka till jobbet på Hubble-konstanten."
Edwin Hubble
Men då dök en fysiker upp som fann ett oberoende sätt att beräkna Hubble-konstanten med hjälp av det mest avlägsna och rödskiftade - mikrovågsbakgrunden. 2003 publicerade WMAP-sonden sin första karta, som visade spektrat för temperaturfluktuationer i CMB. Denna karta gav inte ett standardljus, utan ett standardkriterium: ett mönster av heta och kalla ställen i den ursprungliga soppan, skapad av ljudvågor som krusade i det nyfödda universum.
Genom att göra flera antaganden om ingredienserna i denna buljong - i form av bekanta partiklar, atomer och fotoner, några ytterligare osynliga ämnen som mörk materia och mörk energi - kunde WMAP-teamet beräkna den fysiska storleken på dessa primordiala ljudvågor. Det kan jämföras med den uppenbara storleken på ljudvågor inspelade i CMB-fläckar. Denna jämförelse gav avståndet till mikrovågsbakgrunden och värdet på universums expansionshastighet vid det första ögonblicket. Genom att göra antaganden om hur vanliga partiklar, mörk energi och mörk materia har förändrat expansion sedan dess, kunde WMAP-teamet föra konstanten i linje med sin nuvarande sväghastighet. De härledde ursprungligen ett värde på 72, enligt vad Friedman fann.
Men sedan dess har astronomiska mätningar av Hubble-konstanten visat högre värden, även om felet har minskat. I nyligen publicerade publikationer har Riess gått framåt med en infraröd kamera som installerades 2009 på Hubble-teleskopet, som både kan bestämma avståndet till mjölkvägens Cepheider och lyfta fram deras mest avlägsna, röda släktingar bland de blåare stjärnorna som normalt omger Cepheids. Riess-teamets sista resultat var 73,24.
Samtidigt stannade Planck-uppdraget (ESA), som visade CMB i hög upplösning och med ökad temperaturnoggrannhet vid 67,8. Enligt statistiklagarna separeras dessa två kvantiteter med ett gap på 3,4 sigma - inte 5 sigma, som i partikelfysiken talar om ett betydande resultat, men nästan. "Det är svårt att förklara det med statistiska fel," säger Chuck Bennett, en astrofysiker vid Johns Hopkins University som ledde WMAP-teamet.
Varje sida pekar ett finger mot den andra. Georg Ephstatius, den ledande kosmologen i Plancks team vid University of Cambridge, säger att Plancks data är "helt oskakliga." En ny analys av Plancks resultat 2013 fick honom att tänka. Han laddade ner Riesz-data och publicerade sin egen analys med en lägre och mindre exakt Hubble-konstant. Han tror att astronomer famlade efter en "smutsig" stege.
Som svar hävdar astronomer att göra en faktisk mätning av det moderna universum, eftersom CMB-mätmetoden förlitar sig på många kosmologiska antaganden. Om de inte konvergerar, säger de, varför inte ändra kosmologi? Istället "kommer Georg Ephstatius ut och säger, jag ska tänka om alla dina uppgifter", säger Barry Mador från University of Chicago, make och kollega till Friedman sedan 1980-talet. Vad ska man göra? Gordianknuten måste klippas.
Wendy Friedman trodde att hennes studie från 2001 hade avslöjat Hubble-konstanten, men kontroversen har återhört.
På astronomers sida finns det en metod som kallas gravitationslinsning. Runt en massiv galax snedvrider tyngdkraften rymden och bildar en jätteobjektiv som kan snedvrida ljus som kommer från en avlägsen ljuskälla som en kvasar. Om linjen och kvasaren är anpassad, kommer ljuset att rusa längs flera banor mot jorden och skapa många bilder av linsningsgalaxen. Om du har tur ändras kvasaren i ljusstyrka, det vill säga flimmer. Varje klonad bild kommer också att flimra, men inte samtidigt, eftersom ljusstrålarna från varje bild tar olika vägar genom det förvrängda utrymmet. Förseningen mellan flimrar indikerar skillnaden i banlängder; genom att matcha dem med storleken på galaxen kan astronomer använda trigonometri för att beräkna det absoluta avståndet till linsningsgalaxen. Endast tre galaxer har mäts noggrant på detta sätt, och ytterligare sex studeras för närvarande. I slutet av januari publicerade astrofysiker Sherri Suyu från Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland och hennes kollegor sina bästa beräkningar av Hubble-konstanten. "Vår dimension passar in på stegen avstånd," säger Suyu.
Samtidigt har kosmologer också trumfkort i ärmen: baryoniska akustiska svängningar (BAO). När universum mognar lämnade samma ljudvågor som intryckts på CMB klumpar av materia som växte till galaktiska kluster. Platsen för galaxerna på himlen bör bevara de ursprungliga förhållandena av ljudvågor, och, som tidigare, att jämföra det uppenbara mönstret med dess beräknade faktiska storlek bestämmer avståndet. Liksom CMB-metoden tillåter BAO-metoden att göra ett kosmologiskt antagande. Men under de senaste åren har han upprätthållit värdena på Hubble konstant i nivå med Planck. Den fjärde iterationen av Sloan Digital Sky Survey, en global himmelundersökning som kartlägger den galaktiska kartan, hjälper till att förfina dessa mätningar.
Detta betyder inte att lagen som tävlar om stegen för distans och CMB helt enkelt väntar på andra sätt att lösa tvisten. För att stelna grunden för distansstegen, avståndet till Cepheids i Vintergatan, försöker Europeiska rymdorganisationens Gaia-uppdrag att bestämma de exakta avstånden till en miljard olika närliggande stjärnor, inklusive Cepheids. Gaia, som kretsar runt solen utanför jorden, använder det mest pålitliga måttet: parallax, eller den uppenbara förskjutningen av stjärnor relativt himmelbakgrunden, när rymdskeppet når motsatta punkter i sin bana. När hela Gaia-datasättet släpps 2022 kommer det att ge ytterligare grund för astronomernas förtroende. Riess hittade redan antydningar till förmån för sin högre Hubble-konstant när han använde preliminära Gaia-resultat.
Kosmologer hoppas också kunna stelna sina mätningar med Atacama Cosmological Telescope i Chile och South Pole Telescope, vilket kan testa Plancks resultat med hög precision. Och om resultaten vägrar att samlas, kommer teoretiker att försöka stänga klyftan.”Det är bra när modellen kraschar. Modellvalidering är inte intressant."
Till exempel kan man lägga till en extra partikel till Standard Model of the Universe. CMB erbjuder en uppskattning av den totala energibudgeten strax efter Big Bang, då den delades upp i materia och hög energistrålning. Som följer av Einsteins berömda ekvivalensformel E = mc2, agerade energi som materie, vilket bromsade utrymmet med sin gravitation. Men materien är en mer effektiv broms. Med tiden kyldes strålningen - fotoner av ljus och andra ljuspartiklar som neutrino - och förlorade energi, gravitationseffekten försvagades.
Tre typer av neutrino är för närvarande kända. Om det fanns en fjärde, som föreslagits av vissa teoretiker, fanns det lite mer på strålningssidan i universums ursprungliga energibudget, och denna del skulle spridas snabbare. Detta i sin tur skulle innebära att det tidiga universum expanderade snabbare än ingredienslistan för modern kosmologi förutspår. I framtiden kan detta tillägg förena två olika resultat. Men neutrino-detektorer har ännu inte avslöjat några ledtrådar av typ 4-neutrino, och Plancks andra mätningar begränsade den totala mängden överskottsstrålning.
Ett annat alternativ är den så kallade fantomörkarenergin. Sanna kosmologiska modeller betyder konstant kraft genom mörk energi. Om mörk energi blir starkare med tiden, förklarar det varför kosmos expanderar snabbare idag än man skulle tro att man tittar på det tidiga universum. Variabel mörk energi verkar dock helt överflödig. Kosmologer och astrofysiker är benägna att tro att problemen ligger i befintliga metoder snarare än i ny fysik.
Friedman tror att den enda lösningen - att bekämpa eld med eld - ligger i nya observationer av universum. Tillsammans med Mador förbereder de sig för att göra en separat mätning, kalibrerad inte bara för Cepheids, utan också för andra typer av variabla stjärnor och ljusröda jättar. De närmaste exemplen kan studeras med hjälp av ett automatiskt teleskop 30 centimeter bredt, och avlägsna exemplar hjälper till att utforska Hubble och Spitzer rymdteleskop. När hon har kunnat klara av den mörka och våldsamma Sandage, är hon redo att svara på den vågiga utmaningen från Planck och Riesz-teamet.
”De sa att vi hade fel. Tja, låt oss se, skämtar hon.
ILYA KHEL
