Fundamenty modelu zaczynają się chwiać
Lambda-CDM opiera się na trzech filarach, których fizycznej natury tak naprawdę nie rozumiemy. Są to: inflacja kosmologiczna, zimna ciemna materia oraz stała kosmologiczna odpowiadająca za ciemną energię. Model ten przez długi czas uchodził za kompletne rozwiązanie. Dziś jednak kosmolodzy zauważyli niepokojący trend: parametry wszechświata wyliczane z różnych rodzajów obserwacji przestają do siebie pasować. Dane z mikrofalowego promieniowania tła wskazują na inne wartości niż pomiary oscylacji barionów, a te z kolei różnią się od wyników obserwacji supernowych. To, co uważamy za „właściwy” model, zmienia się w zależności od tego, na który teleskop spojrzymy. Na przykład najnowsze dane z drugiej wersji eksperymentu DESI wykazują rozbieżność na poziomie 2,3 sigma w stosunku do wcześniejszych pomiarów satelity Planck. Gdy połączy się dane z DESI, SPT-3G oraz ACT, niezgodność ta rośnie do 3,7 sigma.
Czytaj też: Pokonali ostatni bastion elektronów. Fizycy zmierzyli je w cieczy
Jedna z najciekawszych niespójności dotyczy ciemnej energii. Model Lambda-CDM zakłada, iż jest to niezmienna w czasie stała kosmologiczna. Jednak analizy danych DESI dotyczących oscylacji barionów sugerują coś wręcz przeciwnego. Że ciemna energia może ewoluować. Odchylenie od założenia o stałości sięga 3-4 sigma. Gdy do tych danych dodamy pomiary odległości do supernowych, istotność statystyczna rośnie do 4-5 sigma. Co więcej, niezależnie od tego, jaką matematyczną formę przyjmie się dla równania stanu ciemnej energii, wszystkie analizy konsekwentnie wskazują na jej dynamiczny charakter z istotnością przekraczającą 4 sigma. Niektóre wyniki sugerują nawet przekroczenie tzw. linii fantomowej, co byłoby naprawdę egzotycznym zjawiskiem.
Kosmologia i fizyka cząstek nie mogą się dogadać
Kolejny punkt zapalny to masa neutrin. Połączenie danych z DESI i pomiarów mikrofalowego tła pozwala kosmologom oszacować łączną masę tych cząstek na mniej niż 0,09 elektronowolta. Tymczasem eksperymenty prowadzone na Ziemi, jak te badające oscylacje neutrin, wskazują na minimalną masę na poziomie 0,06–0,1 eV. Różnica między tymi wynikami osiąga 2,5–3,5 sigma. Jeszcze dziwniejsze jest to, że niektóre dopasowania kosmologiczne zaczynają preferować… lekko ujemną masę neutrin. To wyraźny sygnał, że w modelu coś jest nie tak.
Parametr opisujący amplitudę soczewkowania grawitacyjnego w danych z tła mikrofalowego powinien teoretycznie wynosić dokładnie 1. Dane z satelity Planck pokazują jednak, że jest on większy, a istotność tego odchylenia to około 2,8 sigma. Po połączeniu z danymi DESI wzrasta ona do 3,5 sigma. Ta anomalia pociąga za sobą poważne konsekwencje. Wskazuje bowiem na preferencję dla wszechświata o ujemnej krzywiźnie, czyli zamkniętego. To stoi w jawnej sprzeczności z innymi, bardzo precyzyjnymi pomiarami, które silnie wspierają scenariusz płaskiego wszechświata. Napięcie między tymi wnioskami przekracza 3 sigma. Co ciekawe, wykluczenie z analiz konkretnego podzbioru danych satelity Planck (tzw. danych low-l EE) powoduje, że większość tych napięć znika. To może sugerować, iż problem leży w konkretnych pomiarach, a nie w samym modelu teoretycznym.
Główny kryzys współczesnej kosmologii
Jeśli szukać symbolu obecnych problemów w kosmologii, to jest nim bez wątpienia spór o wartość stałej Hubble’a. Chodzi o tempo rozszerzania się wszechświata. Wyznaczenia tej stałej na podstawie obserwacji wczesnego kosmosu (mikrofalowego tła) dają wynik około 67,4 km/s/Mpc. Z drugiej strony, pomiary oparte na obserwacjach bliższych nam obiektów, jak gwiazdy zmienne czy supernowe, konsekwentnie wskazują na wartość około 73,0 km/s/Mpc. Różnica to około 8%, co może brzmieć niewinnie, ale przy obecnej precyzji pomiarowej przekłada się na zatrważającą rozbieżność statystyczną sięgającą 7,1 sigma. Oznacza to, że prawdopodobieństwo, iż jest to zwykły statystyczny skok, jest znikome.
Czytaj też: Supernowa Keplera. Ćwierć wieku kosmicznej ekspansji w 40 sekund
Nowe dane ożywiły nieco egzotyczne pomysły teoretyczne. Jednym z nich jest koncepcja oddziaływania między ciemną materią a ciemną energią. Modele zakładające taką interakcję są obecnie preferowane z ufnością przekraczającą 95% i co kluczowe – pozwalają one podnieść obliczaną wartość stałej Hubble’a do około 72 km/s/Mpc, co znakomicie zgadzałoby się z lokalnymi pomiarami. Analizy bayesowskie pokazują, że takie modele pasują do danych równie dobrze jak standardowy Lambda-CDM, oferując przy tym skuteczne rozwiązanie głównego problemu.
Innym tropem są neutrina. Dane z eksperymentu ACT sugerują istnienie niezerowego sprzężenia między neutrinami a ciemną materią, z istotnością przekraczającą 3 sigma. Gdyby to się potwierdziło, kosmologia stałaby się oknem na zupełnie nową fizykę: na lekkie cząstki mediatorów, których nie da się wykryć w żadnym ziemskim laboratorium. Przyszłość rozstrzygnięć może leżeć w łączeniu metod. Niezależne pomiary za pomocą fal grawitacyjnych z misji LISA połączone z precyzyjnymi danymi z DESI mogłyby z niezwykłą dokładnością wyznaczyć tzw. horyzont akustyczny. Pozwoliłoby to odróżnić, czy rozwiązanie problemu stałej Hubble’a leży we wczesnym, czy w późnym wszechświecie.