Vi får något fel om universum.
Det kan vara något litet: en mätfråga som får vissa stjärnor att se närmare eller längre bort än de är, något astrofysiker kan fixa med några justeringar för hur de mäter avstånd över rymden. Det kan vara något stort: ett fel - eller serie fel - i kosmologin eller vår förståelse av universums ursprung och evolution. Om så är fallet kan hela vår historia med utrymme och tid krossas. Men oavsett frågan är det att göra viktiga iakttagelser av universum som inte håller med varandra: Mätt på ett sätt verkar universum expandera i en viss takt; uppmätt på ett annat sätt verkar universum expandera i en annan takt. Och som en ny artikel visar, har dessa skillnader blivit större de senaste åren, även när mätningarna har blivit mer exakta.
"Vi tror att om vår förståelse av kosmologi är korrekt, borde alla dessa olika mätningar ge oss samma svar," säger Katie Mack, en teoretisk kosmolog vid North Carolina State University (NCSU) och medförfattare till den nya artikeln. .
De två mest kända mätningarna fungerar mycket annorlunda. Den första förlitar sig på den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB): mikrovågsstrålningsrester från de första ögonblicken efter Big Bang. Kosmologer har byggt teoretiska modeller av hela universums historia på en CMB-grund - modeller som de är mycket säkra på, och som kräver en helt ny fysik för att bryta. Och tillsammans säger Mack, de producerar ett rimligt exakt tal för Hubble-konstanten, eller H0, som styr hur snabbt universum för närvarande expanderar.
Den andra mätningen använder supernovor och blinkande stjärnor i närliggande galaxer, känd som Cepheids. Genom att mäta hur långt dessa galaxer är från våra egna, och hur snabbt de rör sig bort från oss, har astronomer fått det de tror är en mycket exakt mätning av Hubble-konstanten. Och den metoden erbjuder en annan H0.
"Om vi får olika svar betyder det att det finns något som vi inte vet", sa Mack till Live Science. "Så det handlar verkligen om att inte bara förstå universums nuvarande expansionshastighet - vilket är något vi är intresserade av - utan att förstå hur universum har utvecklats, hur expansionen har utvecklats och vilken rymdtid har gjort allt detta tid."
Weikang Lin, också kosmolog på NCSU och huvudförfattare till uppsatsen, sa att för att utveckla en fullständig bild av problemet beslutade teamet att runda upp alla olika sätt att "begränsa" H0 på ett ställe. Papperet har ännu inte formellt granskats eller publicerats och är tillgängligt på förtrycksservern arXiv.
Här är vad "begränsa" innebär: Mätningar i fysik visar sällan exakta svar. Istället sätter de gränser för utbudet av möjliga svar. Och genom att titta på dessa begränsningar tillsammans kan du lära dig mycket om något du studerar. Om du tittar genom ett teleskop, till exempel, kan du lära dig att en ljuspunkt i rymden är antingen röd, gul eller orange. En annan kan säga att det är ljusare än de flesta andra ljus i rymden men mindre ljusa än solen. En annan kan säga att det rör sig över himlen som en snabb planet. Ingen av dessa begränsningar skulle berätta mycket för dig själv, men tillsammans föreslår de att du tittar på Mars.
Lin, Mack och deras tredje medförfattare, NCSU doktorand Liqiang Hou, tittade på begränsningarna för två konstanter: H0, och något som kallas universums "massfraktion", betecknat Ωm, som säger hur mycket av universum är energi, och hur mycket som är viktigt. Många mätningar av H0 begränsar också Ωm, sa Lin, så det är användbart att titta på dem tillsammans.
Som producerade denna färgstarka tomt:
Den sträckta magenta ovala märkta WMAP är intervallet av möjliga massfraktioner och Hubblekonstanter som brukade vara möjliga baserat på en större tidigare NASA-studie av CMB, känd som Wilkinson Microbynnysropropsonden. Den gula kolonnen märkt CV SN (förkortning för "Cepheid-kalibrerad Type-Ia Supernovae") hänvisar till Cepheid-supernova mätningar, som inte begränsar universums massfraktion, men begränsar H0. Den röda stapeln märkt SN P (förkortning av "Type-Ia Supernovae Pantheon") är en viktig begränsning för universums massfraktion.
Du kan se att kanterna på WMAP och CV SN överlappar varandra, mestadels utanför den röda stapeln. Det var bilden av avvikelsen för några år sedan, sa Mack: Betydande nog att oroa sig för att de två mätningarna visade upp olika svar, men inte så betydelsefulla att de gör dem oförenliga med lite finjustering.
Men de senaste åren har det skett en ny mätning av CMB från en grupp som heter Planck Collaboration. Planck Collaboration, som släppte sitt senaste datasæt under 2018, satte mycket strikta begränsningar för universums massfraktion och expansionshastighet, betecknad med den svarta spalten på tomten märkt Planck.
Nu, författarna skrev, dyker upp två väldigt olika bilder av universum. Planck och WMAP - tillsammans med en rad andra metoder för att begränsa H0 och Ωm - är alla mer eller mindre kompatibla. Det finns en plats på tomten, i cirkeln med vita streck, där de alla möjliggör liknande svar för hur snabbt universum expanderar och hur mycket av det som är gjord av materia. Du kan se att nästan alla former på tomten passerar genom den cirkeln.
Men den mest direkta mätningen, baserad på att faktiskt studera hur långt borta saker är i vårt lokala universum och hur snabbt de rör sig, håller inte med. Cepheid-mätningen är långt ute på höger sida, och inte ens dess felfält (de svaga gula bitarna, som anger antalet sannolika värden) passerar genom den streckade cirkeln. Och det är ett problem.
"Det har varit mycket aktivitet på detta område just under de senaste månaderna," sade Risa Wechsler, en kosmolog vid Stanford University som inte var inblandad i denna artikel. "Så det är riktigt trevligt att se allt sammanfattat. Att rama in det i termer av H0 och Ωm, som är grundläggande parametrar, är verkligen klarare."
Fortfarande, sa Wechsler till Live Science, är det viktigt att inte hoppa till några slutsatser.
"Folk är glada över detta eftersom det kan betyda att det finns ny fysik, och det skulle vara riktigt spännande," sade hon.
Det är möjligt att CMB-modellen bara är fel på något sätt, och det leder till ett slags systematiskt fel i hur fysiker förstår universum.
"Alla skulle älska det. Fysiker älskar att bryta sina modeller," sa Wechsler. "Men den här modellen fungerar ganska bra hittills, så min tidigare är att det måste finnas ganska starka bevis för att övertyga mig."
Studien visar att det skulle vara svårt att matcha Cepheid-mätningen från det lokala universum med alla andra genom att introducera bara ett nytt fysikstycke, sa Mack.
Det är möjligt, sa Mack, att beräkningen av supernovas-Cepheid bara är fel. Kanske mäter fysiker avstånd i vårt lokala universum fel, och det leder till en felberäkning. Men det är svårt att föreställa sig vilken felberäkning skulle vara, sa hon. Många astrofysiker har uppmätt lokala avstånd från grunden och har kommit med liknande resultat. En möjlighet som författarna tog upp är bara att vi lever i en konstig del av universumet där det finns färre galaxer och mindre tyngdkraft, så vårt grannskap expanderar snabbare än universum som helhet.
Svaret på problemet, sa hon, kunde vara precis runt hörnet. Men mer troligt är det år eller decennier bort.
"Det är antingen något nytt i universum eller det är något vi inte förstår om våra mätningar," sa hon.
Wechsler sa att hon skulle satsa på det senare - att det förmodligen är något som inte är riktigt felaktigt med felstegen runt några av de inblandade mätningarna, och att när de har lösts kommer bilden att passa bättre ihop.
Kommande mätningar kan klargöra motsägelsen - antingen att förklara den eller höja den, föreslå ett nytt fysikfält är nödvändigt. Det stora synoptiska undersökningsteleskopet, som planeras komma online 2020, bör hitta hundratals miljoner supernovor, vilket i hög grad bör förbättra datasätten som astrofysiker använder för att mäta avståndet mellan galaxer. Så småningom, säger Mack, kommer gravitationsvågstudier att bli tillräckligt bra för att begränsa universums expansion också, vilket borde lägga till ytterligare en nivå av precision till kosmologin. På vägen, sa hon, kan fysiker till och med utveckla instrument som är känsliga nog för att se föremål expanderar bort från varandra i realtid.
Men för tillfället väntar kosmologer fortfarande och undrar varför deras mätningar av universum inte är vettiga tillsammans.
