Choć nocne niebo wydaje się gęsto utkane z gwiazd, planet i galaktyk, rzeczywistość może być znacznie bardziej „pusta”, niż się z pozoru wydaje. Od lat w środowisku astrofizyków i kosmologów pojawiają się sugestie, że nasz kosmiczny region zawiera mniej galaktyk, niż wskazywałyby na to prognozy wynikające z ogólnego rozkładu materii we Wszechświecie.
Coraz więcej dowodów wskazuje na to, że Ziemia — wraz z otaczającym ją Układem Słonecznym i Drogą Mleczną — może znajdować się w rozległym obszarze o obniżonej gęstości materii. Tego rodzaju struktura, zwana kosmiczną pustką, miałaby gęstość o około 20% niższą od średniej w całym Wszechświecie.
Nie jest to jednak teza powszechnie akceptowana. Wielu fizyków pozostaje sceptycznych wobec hipotezy lokalnej pustki. Najnowsze analizy, oparte na badaniu subtelnych zniekształceń tak zwanych „dźwięków” wczesnego Wszechświata, dostarczają jednak przekonujących argumentów za jej istnieniem. Wyniki tych badań, opublikowane na łamach czasopisma Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, wzmacniają hipotezę, że nasza lokalizacja w strukturze kosmicznej nie jest przypadkowa.
Kosmologia od kilku lat zmaga się z fundamentalnym problemem, znanym jako napięcie Hubble’a. Chodzi o rozbieżność pomiędzy przewidywaną a zmierzoną lokalnie wartością stałej Hubble’a, która opisuje tempo rozszerzania się Wszechświata. Pomiar lokalny wskazuje na ekspansję około 10% szybszą niż przewiduje to model standardowy — tzw. model Lambda-CDM (ΛCDM), oparty na istnieniu ciemnej energii (Λ) oraz zimnej ciemnej materii (Cold Dark Matter).
Barionowe oscylacje akustyczne to ślady fal dźwiękowych, które powstały tuż po Wielkim Wybuchu. Źródło: Gabriela Secara, Perimeter Institute, CC BY-SA
Dzięki promieniowaniu reliktowemu, czyli mikrofalowemu promieniowaniu tła (CMB), możliwe jest badanie bardzo wczesnych etapów ewolucji Wszechświata — z okresu, gdy był on 1100 razy mniejszy niż obecnie. W tym młodym Wszechświecie powstawały fale gęstości – swoiste „dźwięki” plazmy kosmicznej – które z czasem ukształtowały struktury o różnej temperaturze i gęstości.
Te pierwotne fluktuacje są dziś zachowane w mikrofalowym tle, a także odciśnięte w rozmieszczeniu galaktyk, jako tzw. barionowe oscylacje akustyczne (BAO – baryon acoustic oscillations). To one stanowią swoistą „kosmiczną linijkę”, pozwalającą kosmologom badać geometrię i tempo ekspansji Wszechświata.
Pomiar wzorca BAO umożliwia określenie, jak galaktyki grupują się w różnych odległościach (mierząc tzw. przesunięcie ku czerwieni). Szczególnie istotna okazuje się tu tzw. kątowa skala BAO — czyli kąt, pod jakim obserwujemy charakterystyczny rozkład struktur na niebie.
Im większy wydaje się rozmiar tej kosmicznej linijki przy danym przesunięciu ku czerwieni, tym szybciej, zgodnie z modelem, powinien rozszerzać się Wszechświat. Dzięki temu BAO stanowi niezwykle precyzyjne narzędzie do testowania kosmologicznych hipotez.
Ilustracja pokazująca, że wzdłuż fal pierwotnych fal dźwiękowych (zaznaczone na niebiesko) powstało nieco więcej galaktyk niż gdzie indziej. Następnie pierścienie galaktyk rozciągnęły się wraz z rozszerzaniem się Wszechświata. Inne galaktyki są przyciemnione na tym zdjęciu, aby łatwiej było dostrzec efekt. Źródło: NASA
Wcześniejsze badania sugerowały, że napięcie Hubble’a może być złudzeniem, wynikającym z naszej pozycji wewnątrz dużej pustki. Jeśli rzeczywiście znajdujemy się w takim rozrzedzonym obszarze, to materia znajdująca się wokół nas podlegałaby ciągłemu „odpływowi” w kierunku gęstszych regionów, powodując, że lokalnie ekspansja kosmiczna wydaje się szybsza.
Nowe badania postanowiły przetestować tę hipotezę w sposób ilościowy. Gdyby rzeczywiście istniała lokalna pustka, wpływałaby ona nieznacznie na związek między kątową skalą BAO a przesunięciem ku czerwieni — poprzez zaburzenia w ruchu materii i wpływ grawitacyjny na promieniowanie pochodzące z odległych obiektów.
Zespół badawczy przeanalizował dane z ostatnich dwóch dekad, dotyczące pomiarów BAO, i porównał je z przewidywaniami modeli zawierających pustkę oraz modeli pozbawionych takiej struktury, przy identycznej ogólnej historii ekspansji Wszechświata.
Niewielkie maksimum w pobliżu środka wykresu pokazuje, jak BAO subtelnie wpłynęły na rozmieszczenie galaktyk. Obecnie obserwuje się niewielki wzrost prawdopodobieństwa znalezienia galaktyk oddalonych od siebie o około 500 milionów lat świetlnych. Odległość ta maleje, gdy spoglądamy dalej w kosmos, sięgając wcześniejszych okresów. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center.
W modelu z lokalną pustką „linijka” BAO powinna wydawać się większa na niebie — i właśnie takie odchylenie zaobserwowano. Co więcej, różnica ta staje się szczególnie wyraźna przy niskich przesunięciach ku czerwieni, co pozostaje w zgodzie z efektami obserwowanymi w kontekście napięcia Hubble’a.
Wyniki jednoznacznie wspierają model z lokalną pustką: obliczenia wykazały, że jest on nawet sto milionów razy bardziej prawdopodobny niż scenariusz bez pustki, jeśli założyć standardowy model ΛCDM oparty na obserwacjach promieniowania reliktowego.
Co to oznacza w praktyce? Model bez pustki znajduje się w tzw. napięciu 3,8 sigma względem danych BAO. Innymi słowy, jego trafność można porównać do sytuacji, w której idealna moneta, mająca równe prawdopodobieństwo wypadnięcia orła i reszki, wypadłaby orłem trzynaście razy z rzędu. Z kolei zgodność danych z modelem pustki przypomina wyrzucenie orła zaledwie dwa razy z rzędu – co jest znacznie bardziej prawdopodobne.
W nadchodzących latach kluczowe będzie prowadzenie jeszcze dokładniejszych pomiarów BAO, zwłaszcza przy niskich przesunięciach ku czerwieni. To właśnie w tych obszarach nieba efekty lokalnej pustki ujawniają się najdobitniej — i być może to tam kryje się odpowiedź na jedną z największych zagadek współczesnej kosmologii.
Więcej informacji: publikacja Indranil Banik et al, Testing the local void hypothesis using baryon acoustic oscillation measurements over the last 20 yr, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). DOI: 10.1093/mnras/staf781
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Symulacja rozprzestrzeniania się fal dźwiękowych we wczesnym wszechświecie, zwanych oscylacjami akustycznymi barionowymi (BAO). Źródło: NASA Scientific Visualization Studio
