Kami mendapatkan sesuatu yang salah tentang alam semesta.
Ini mungkin sesuatu yang kecil: masalah pengukuran yang membuat bintang-bintang tertentu terlihat lebih dekat atau lebih jauh daripada mereka, sesuatu yang dapat diperbaiki oleh ahli astrofisika dengan beberapa penyesuaian terhadap bagaimana mereka mengukur jarak melintasi ruang. Ini mungkin sesuatu yang besar: kesalahan - atau serangkaian kesalahan - dalam kosmologi, atau pemahaman kita tentang asal-usul dan evolusi alam semesta. Jika itu masalahnya, seluruh sejarah ruang dan waktu kita mungkin akan kacau. Tapi apa pun masalahnya, itu membuat pengamatan kunci tentang alam semesta tidak saling setuju: Diukur satu cara, alam semesta tampaknya berkembang pada tingkat tertentu; diukur dengan cara lain, alam semesta tampaknya mengembang pada tingkat yang berbeda. Dan, seperti yang ditunjukkan oleh sebuah makalah baru, perbedaan itu telah menjadi lebih besar dalam beberapa tahun terakhir, bahkan ketika pengukurannya menjadi lebih tepat.
"Kami berpikir bahwa jika pemahaman kita tentang kosmologi benar, maka semua pengukuran yang berbeda ini harus memberi kita jawaban yang sama," kata Katie Mack, seorang kosmologis teoretis di North Carolina State University (NCSU) dan penulis pendamping makalah baru ini. .
Dua pengukuran paling terkenal bekerja sangat berbeda satu sama lain. Yang pertama bergantung pada Cosmic Microwave Background (CMB): radiasi gelombang mikro yang tersisa dari saat-saat pertama setelah Big Bang. Ahli kosmologi telah membangun model teoretis dari seluruh sejarah alam semesta di atas fondasi CMB - model yang sangat mereka percayai, dan itu akan membutuhkan fisika baru untuk dipecahkan. Dan secara bersamaan, kata Mack, mereka menghasilkan angka yang cukup tepat untuk konstanta Hubble, atau H0, yang mengatur seberapa cepat alam semesta saat ini mengembang.
Pengukuran kedua menggunakan supernova dan bintang berkedip di galaksi terdekat, yang dikenal sebagai Cepheids. Dengan mengukur seberapa jauh galaksi-galaksi itu berasal dari galaksi kita, dan seberapa cepat mereka menjauh dari kita, para astronom mendapatkan apa yang mereka yakini sebagai ukuran yang sangat tepat dari konstanta Hubble. Dan metode itu menawarkan H0 yang berbeda.
"Jika kita mendapat jawaban berbeda, itu berarti ada sesuatu yang tidak kita ketahui," kata Mack kepada Live Science. "Jadi ini benar-benar tentang tidak hanya memahami tingkat ekspansi alam semesta saat ini - yang merupakan sesuatu yang kita minati - tetapi memahami bagaimana alam semesta telah berevolusi, bagaimana ekspansi telah berevolusi, dan apa yang telah dilakukan oleh ruang-waktu semua ini waktu."
Weikang Lin, juga seorang kosmologis di NCSU dan penulis utama makalah, mengatakan bahwa untuk mengembangkan gambaran lengkap masalah, tim memutuskan untuk mengumpulkan semua cara berbeda "membatasi" H0 di satu tempat. Makalah ini belum secara resmi ditinjau atau diterbitkan oleh rekan sejawat, dan tersedia di server pracetak arXiv.
Inilah yang dimaksud dengan "membatasi": Pengukuran dalam fisika jarang menghasilkan jawaban yang tepat. Sebagai gantinya, mereka memberi batasan pada kisaran jawaban yang memungkinkan. Dan dengan melihat kendala-kendala ini bersama-sama, Anda dapat belajar banyak tentang sesuatu yang Anda pelajari. Melihat melalui satu teleskop, misalnya, Anda mungkin belajar bahwa titik cahaya di ruang angkasa adalah merah, kuning atau oranye. Yang lain mungkin memberi tahu Anda lebih terang dari kebanyakan lampu lain di ruang angkasa tetapi kurang terang dari matahari. Orang lain mungkin memberi tahu Anda itu bergerak melintasi langit secepat sebuah planet. Tak satu pun dari kendala itu akan memberi tahu Anda sendiri, tetapi jika digabungkan, mereka menyarankan Anda melihat Mars.
Lin, Mack dan rekan penulis ketiga mereka, mahasiswa pascasarjana NCSU Liqiang Hou, melihat kendala pada dua konstanta: H0, dan sesuatu yang disebut "fraksi massa" dari alam semesta, dilambangkan sebagai Ωm, yang memberi tahu Anda seberapa besar alam semesta adalah energi, dan berapa banyak materi. Banyak pengukuran H0 juga membatasi Ωm, kata Lin, jadi sangat berguna untuk melihatnya secara bersamaan.
Yang menghasilkan plot penuh warna ini:
Magenta oval membentang berlabel WMAP adalah rentang fraksi massa yang mungkin dan konstanta Hubble yang dulunya mungkin didasarkan pada penelitian NASA di masa lalu tentang CMB, yang dikenal sebagai Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Kolom kuning berlabel CV SN (kependekan dari "Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae") mengacu pada pengukuran Cepheid-supernova, yang tidak membatasi fraksi massa alam semesta, tetapi membatasi H0. Bilah merah berlabel SN P (kependekan dari "Type-Ia Supernovae Pantheon") adalah kendala utama pada fraksi massa alam semesta.
Anda dapat melihat bahwa tepi WMAP dan CV SN tumpang tindih, sebagian besar di luar bilah merah. Itu adalah gambar perbedaan beberapa tahun yang lalu, kata Mack: Cukup signifikan untuk khawatir bahwa dua pengukuran menghasilkan jawaban yang berbeda, tetapi tidak begitu signifikan sehingga membuat mereka tidak cocok dengan sedikit penyesuaian.
Tetapi dalam beberapa tahun terakhir telah ada pengukuran baru CMB dari kelompok yang disebut Kolaborasi Planck. Kolaborasi Planck, yang merilis dataset terbaru pada tahun 2018, menempatkan kendala yang sangat ketat pada fraksi massa dan tingkat ekspansi alam semesta, dilambangkan dengan sliver hitam pada plot berlabel Planck.
Sekarang, para penulis menulis, dua gambar alam semesta yang sangat berbeda muncul. Planck dan WMAP - bersama dengan berbagai pendekatan lain untuk membatasi H0 dan Ωm - semuanya lebih atau kurang kompatibel. Ada tempat di plot, di lingkaran garis putih, di mana mereka semua memungkinkan jawaban yang sama untuk seberapa cepat alam semesta mengembang dan seberapa banyak dari itu terbuat dari materi. Anda dapat melihat bahwa hampir semua bentuk pada plot melewati lingkaran itu.
Tetapi pengukuran paling langsung, berdasarkan pada sebenarnya mempelajari seberapa jauh hal-hal yang ada di alam semesta lokal kita dan seberapa cepat mereka bergerak, tidak setuju. Pengukuran Cepheid berada di luar sana di sebelah kanan, dan bahkan tidak ada palang kesalahannya (bit kuning yang pudar, yang menunjukkan kisaran nilai yang mungkin) melewati lingkaran putus-putus. Dan itu masalah.
"Ada banyak kegiatan di bidang ini hanya dalam beberapa bulan terakhir," kata Risa Wechsler, seorang kosmologis di Universitas Stanford yang tidak terlibat dalam makalah ini. "Jadi sangat bagus untuk melihat semuanya diringkas. Membingkainya dalam hal H0 dan ,m, yang merupakan parameter mendasar, benar-benar mengklarifikasi."
Namun, kata Wechsler kepada Live Science, penting untuk tidak langsung mengambil kesimpulan.
"Orang-orang senang dengan ini karena itu bisa berarti ada fisika baru, dan itu akan sangat menyenangkan," katanya.
Mungkin saja model CMB salah dalam beberapa hal, dan itu mengarah pada semacam kesalahan sistematis dalam cara fisikawan memahami alam semesta.
"Semua orang akan menyukainya. Fisikawan suka merusak model mereka," kata Wechsler. "Tapi model ini bekerja dengan sangat baik sejauh ini, jadi prioritas saya adalah bahwa harus ada bukti yang cukup kuat untuk meyakinkan saya."
Studi ini menunjukkan bahwa akan sulit untuk mencocokkan pengukuran Cepheid dari alam semesta lokal dengan yang lainnya dengan memperkenalkan hanya satu bagian fisika baru, kata Mack.
Mungkin saja, kata Mack, bahwa perhitungan supernova-Cepheid salah. Mungkin fisikawan salah mengukur jarak di alam semesta lokal kita, dan itu mengarah pada salah perhitungan. Sulit membayangkan apa kesalahan perhitungan itu, katanya. Banyak ahli astrofisika telah mengukur jarak lokal dari awal dan muncul dengan hasil yang sama. Satu kemungkinan yang penulis kemukakan hanyalah kita hidup di bongkahan aneh alam semesta di mana galaksi lebih sedikit dan gravitasi lebih sedikit, sehingga lingkungan kita berkembang lebih cepat daripada alam semesta secara keseluruhan.
Jawaban untuk masalah itu, katanya, bisa jadi hanya sekitar sudut. Tetapi lebih mungkin bertahun-tahun atau beberapa dekade lagi.
"Ini sesuatu yang baru di alam semesta atau sesuatu yang tidak kita mengerti tentang pengukuran kita," katanya.
Wechsler mengatakan dia akan bertaruh pada yang terakhir - bahwa mungkin ada sesuatu yang tidak beres tentang bar kesalahan di sekitar beberapa pengukuran yang terlibat, dan bahwa setelah itu diselesaikan gambar akan cocok bersama lebih baik.
Pengukuran yang dilakukan mungkin memperjelas kontradiksi - baik menjelaskannya atau mempertinggi- nya, menyarankan bidang fisika baru diperlukan. Teleskop Survei Sinoptik Besar, yang dijadwalkan akan online pada tahun 2020, akan menemukan ratusan juta supernova, yang seharusnya sangat meningkatkan data yang digunakan para astrofisikawan untuk mengukur jarak antar galaksi. Akhirnya, kata Mack, studi gelombang gravitasi akan menjadi cukup baik untuk membatasi ekspansi alam semesta juga, yang seharusnya menambah tingkat ketelitian pada kosmologi. Di ujung jalan, katanya, fisikawan bahkan mungkin mengembangkan instrumen yang cukup sensitif untuk menyaksikan objek saling menjauh secara real time.
Tetapi untuk saat ini para kosmolog masih menunggu dan bertanya-tanya mengapa pengukuran mereka terhadap alam semesta tidak masuk akal bersama.
