Äldsta överlevande ljus avslöjar universumets sanna ålder

Forntida ljus från Big Bang har avslöjat en exakt ny uppskattning för universumets ålder: 13,77 miljarder år, ge eller ta 40 miljoner år.

Den nya uppskattningen, baserad på data från en mängd teleskoper i den chilenska Atacamaöknen, väger också in på en av de viktigaste oenigheterna i astrofysik: Hur snabbt expanderar universum? Som beskrivs i två vetenskapliga artiklar ger det nya resultatet ett betydande uppsving för den ena sidan av oenigheten, även om fysikerna inte kunde bevisa att den andra sidan av tvisten är fel.

Här är problemet: Fysiker måste förstå universums expansionshastighet för att känna kosmologin - vetenskapen om hela vårt universums förflutna, nutid och framtid. De vet att ett mystiskt ämne som kallas mörk energi gör att universum expanderar (i en allt större takt) i alla riktningar ... Men när astronomer pekar sina teleskop i rymden för att mäta Hubble-konstanten (H0) - antalet som beskriver hur snabbt universum expanderar på olika avstånd från oss eller någon annan punkt - de kommer med siffror som inte håller med varandra, beroende på vilken metod de använder.

En metod, baserad på mätningar av hur snabbt närliggande galaxer rör sig bort från Vintergatan, producerar en H0. En annan metod, baserad på att studera det äldsta ljuset i rymden, eller kosmisk mikrovågsbakgrund (CMB), producerar en annan H0. Denna oenighet har gjort att forskare undrar om det finns någon viktig blindflek i deras mätningar eller teorier, som tidigare rapporterats. Dessa nya resultat verkar visa att det inte fanns några mätfel på CMB-sidan.

Relaterad: 9 fakta om svarta hål som kommer att blåsa ditt sinne

"Vi hittar en expansionshastighet som ligger rätt uppskattad av Planck-satellitteamet," vilket är en annan studie av CMB, säger Cornell University-astrofysiker Steve Choi, huvudförfattare till ett av två nya tidningar, i ett uttalande. "Detta ger oss mer förtroende för mätningar av universumets äldsta ljus."

Uppgifterna från Planck-satelliten, som släpptes 2018, var CMB: s viktigaste mätningar tidigare. Med en aldrig tidigare skådad precision, visade de hur skarpt CMB-mätningar av H0 inte instämmer med mätningar baserade på rörelsen i närliggande galaxer.

Dessa nya resultat beräknade CMB-mätningen från början med hjälp av en helt annan uppsättning teleskopdata och beräkningar och kom med mycket liknande resultat. Det bevisar inte att CMB-mätningen av H0 är korrekt - det kan fortfarande vara något problem med fysikteorierna som används för att göra beräkningen - men det antyder att det inte finns några mätfel på den sidan av oenigheten.

Relaterad: De 18 största olösta mysterierna inom fysik

Genom att förlita sig på data från Atacama Cosmology Telescope (ACT) i Chiles Atacama-öken, spårade forskarna svaga skillnader mellan olika delar av CMB - som verkar ha olika energinivåer i olika delar av himlen. CMB, som bildades när universum kyldes efter Big Bang, är detekterbar i alla riktningar i rymden som en mikrovågsglöd. Det är mer än 13 miljarder ljusår på avstånd, en relik för en tid innan stjärnor och galaxer bildades. 

Genom att kombinera teorier om hur CMB bildades med exakta mätningar av dess fluktuationer kan fysiker bestämma hur snabbt universum expanderade i det ögonblicket i tiden. Dessa data kan sedan användas för att beräkna H0.

ACT skannade metodiskt halva himlen mellan 2013 och 2016 och tittade särskilt på mikrovågsbelysning. Sedan tillbringade forskare år på att rensa upp och analysera data med hjälp av superdatorer, ta bort andra mikrovågskällor som inte ingår i CMB för att sy samman en fullständig karta över CMB. Hela tiden "blindade" de sig för konsekvenserna av deras arbete, de skrev i sina tidningar, vilket betyder att de inte tittade på hur deras val påverkade uppskattningarna av H0 förrän i slutet. Först när hela CMB-kartan var klar använde forskarna den för att beräkna H0.

Den nya CMB-kartan erbjöd också ett nytt mått för avståndet mellan Jorden och CMB. Detta avstånd, i kombination med en ny mätning av hur snabbt universum har expanderat över tid, möjliggjorde en exakt beräkning av universumets ålder.

"Jag hade inte någon speciell preferens för något specifikt värde - det skulle bli intressant på ett eller annat sätt," sa Choi.

-Universum: Big Bang till nu i 10 enkla steg

-De 15 konstigaste galaxerna i vårt universum

-101 astronomibilder som kommer att blåsa ditt sinne

 Som tidigare har rapporterats är det fortfarande möjligt att ett visst fel i dessa teorier gör det möjligt att beräkna beräkningen. Men det är inte klart vad felet skulle vara.

Det andra tillvägagångssättet för att beräkna H0 förlitar sig på pulserande stjärnor kända som cepheider, som bor i avlägsna galaxer och puls regelbundet. Den tidsinställda pulseringen gör det möjligt för forskare att utföra exakta beräkningar av deras rörelse och avstånd från jorden.

Med de direkta hastighetsmätningarna är det ganska enkelt att ta fram en mätning av H0. Det finns inga komplicerade kosmologiska teorier. Men det är möjligt, har vissa forskare föreslagit, att vår region i universum är bara konstigt tom och inte representativ för hela universum. Det är till och med möjligt att det finns mätproblem med cepheiderna, och att dessa kosmiska mätpinnar inte fungerar helt som fysiker förväntar sig.

För närvarande förblir den sanna H0 ett mysterium. Men CMB-forskare har mer ammunition för sin sida av oenigheten.

Båda nya artiklar som beskriver den nya analysen har publicerats den 14 juli till förtryckningsdatabasen arXiv och lämnats in för formell peer review.