Rozbieżności w danych mogą znacząco wpłynąć na naszą wiedzę o wszechświecie

Źródło: NASA, ESA, Legus team

Jedną z nierozwiązanych zagadek współczesnej nauki jest kwestia tego dlaczego rozszerzanie wszechświata zdaje się przyspieszać. Niektórzy naukowcy tłumaczą to zjawisko obecnością teoretycznej ciemnej energii, a inni znowu podejrzewają, że teoria grawitacji Einsteina może wymagać modyfikacji.

Gdy astrofizycy poszukują rozwiązania tego problemu w górach danych zebranych podczas obserwacji astronomicznych, odkrywają w nich niezgodności, które z czasem mogą doprowadzić ich do prawdy.

“To przypomina trochę powieść detektywistyczną, w której niespójne dowody czy zeznania prowadzą do rozwiązania zagadki”  mówi dr Mustapha Ishak-Boushaki, profesor astrofizyki w School of Natural Sciences and Mathematics na Uniwersytecie Teksańskim w Dallas.

Ishak-Boushaki wraz ze swoim doktorantem Weikangiem Linem opracował nowe matematyczne narzedzie do identyfikowania i kwantyfikowania niezgodności w danych kosmologicznych zebranych w trakcie różnych misji i eksperymentów naukowych. Wyniki ich badań mogą rzucić nowe światło na zagadkę związaną z przyspieszaniem ekspansji wszechświata i znacząco wpłynąć na naszą wiedzę o wszechświecie.

Ich najnowsze badania, opublikowane w październiku w periodyku Physical Review D zostały zaprezentowane 4 czerwca podczas spotkania American Astronomical Society w Denver.

“Niezgodności, które odkryliśmy, musimy rozwiązać  na drodze do bardziej precyzyjnej i dokładniejszej kosmologii. Implikacje tych nieścisłości są takie, że albo część naszych obecnych zbiorów danych charakteryzuje sie błędami systematycznymi, które należy zidentyfikować i usunąć, albo wykorzystywane modele kosmologiczne są niepełne lub zawierają błędy” mówi Ishak-Boushaki.

Astrofizycy wykorzystują standardowy model kosmologiczny do opisywania historii, ewolucji i struktury wszechświata. Na podstawie tego modelu, mogą oni obliczać wiek wszechświata czy też tempo jego ekspansji. Model taki zawiera równania opisujący ostateczny los wszechświata – czy też będzie kontynuował rozszerzanie, czy też z czasem zwolni rozszerzanie pod wpływem grawitacji i zapadnie się na samego siebie.

Istnieje kilka zmiennych – zwanych parametrami kosmologicznymi – które są wbudowane w równania modelu. Numeryczne wartości parametrtów okreslane są na podstawie obserwacji i uwzględniają takie czynniki jak to jak szybko galaktyki się od siebie oddalają, gęstości materii, energii i promieniowania we wszechświecie.

Jednak owe parametry nastręczają pewnego problemu. Ich wartości obliczane są na podstawie zestawów danych z wielu różnych eksperymentów, a czasami owe wartości się ze sobą nie zgadzają. Skutek? Błędy systematyczne w zbiorach danych oraz niepewności w modelu standardowym.

“W ramach naszych badań sprawdzamy jak w różnych eksperymentach określa się wartości tych parametrów oraz czy zgadzają się one ze sobą”.

Zespół z UT Dallas opracował nowy wskaźnik zwany indeksem niestałości (IOI, index of inconsistency), który przypisuje numeryczną wartość stopniowi rozbieżności między dwoma lub więcej zbiorami danych. Porównania z IOI wyższymi od 1 uważane są za niespójne, a te o wartości wyższej niż 5 za bardzo niespójne.

Dla przykładu, badacze wykorzystali IOI do porównania pięciu różnych technik określania stałej Hubble’a opisującej tempo rozszerzania wszechświata. Jedna z tych technik – pomiary lokalne – opiera się na pomiarach odległości do stosunkowo bliskich supernowych. Pozostałe techniki opierają się na obserwacjach zjawisk na znacznie większych odległościach.

“Odkryliśmy zbieżność czterech z pięciu tych metod, ale stała Hubble’a mierzona na podstawie lokalnych supernowych odstaje od pozostałych. Największe różnice obserwujemy między pomiarami lokalnych supernowych a pomiarami satelity Planck, który charakteryzował kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła”.

Żeby było jeszcze ciekawiej, do określania wartości stałej Hubble’a na podstawie pomiarów lokalnych supernowych wykorzystywano różne metody i zawsze prowadziły one do jednej i tej samej wartości. Wartość ta jednak odstaje od wartości określonej na podstawie danych z Plancka i innych eksperymentów.

“Dlaczego te lokalne pomiary stałej Hubble’a znacząco odstają od danych z Plancka?” pyta Ishak-Boushaki.

Wraz z Linem zastosował on narzędzie IOI do pięciu zbiorów danych obserwacyjnych związanych z wielkoskalową strukturą wszechświata. Parametry kosmologiczne obliczone na podstawie tych pięciu zbiorów danych silnie się nie zgadzały tak pojedynczo jak i łącznie, z parametrami określonymi na podstawie obserwacji z Plancka.

“To bardzo zastanawiające. Wyniki te wskazują na to, że wszechświat w największej obserwowalnej skali zachowuje się inaczej niż wszechświat w naszym bezpośrednim otoczeniu” mówi Ishak-Boushaki. “To prowadzi do pytania czy teoria grawitacji Einsteina obowiązuje naprawdę w każdej możliwej skali”.

Badacze z UT Dallas udostępnili swoje narzędzie wszystkim zainteresowanym naukowcom. Dark Energy Science Collaboration, który stanowi element projektu Large Synoptic Survey Telescope, będzie wykorzystywał to narzędzie do poszukiwania niestałości w zbiorach danych.

“Owe niestałości zaczynają się teraz pokazywać ponieważ nasze obserwacje osiągnęły poziom precyzji, na którym już można je dostrzec. Portzebujemy prawidłowych wartości tych parametrów kosmologicznych, bowiem mają one istotny wpływ na naszą wiedzę o wszechświecie”.

Źródło: UT Dallas