Zespół astrofizyków, wykorzystujący najnowocześniejsze technologie i metody badawcze, zaprezentował nowe podejście do oszacowań jednego z najbardziej podstawowych praw Wszechświata. W opublikowanym niedawno artykule naukowcy opisują wyniki dotyczące opracowania nowatorskiej metody pomiaru stałej Hubble'a – wartości kosmologicznej opisującej tempo ekspansji kosmosu.
Kosmologia polega w dużej mierze na zrozumieniu ewolucji Wszechświata – tego, jak ewoluował on w przeszłości, co dzieje się z nim teraz i co stanie się z nim w przyszłości – mówi Marco Ajello, profesor Wydziału Fizyki i Astronomii w College of Science. Nasza wiedza opiera się na znajomości szeregu parametrów, w tym stałej Hubble'a, które staramy się zmierzyć tak dokładnie, jak to tylko możliwe. W tym artykule nasz zespół przeanalizował dane uzyskane z teleskopów orbitalnych i naziemnych celem opracowania jednego z najnowszych jak dotąd sposobów pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata.
Koncepcję rozszerzającego się Wszechświata pierwotnie rozwinął amerykański astronom Edwin Hubble. Na początku XX wieku Hubble był jednym z pierwszych astronomów, którzy doszli do wniosku, że Wszechświat składa się z wielu galaktyk. Jego późniejsze badania doprowadziły do najbardziej znanego z jego odkryć: galaktyki oddalają się od siebie z prędkością proporcjonalną do ich odległości od siebie.
Hubble pierwotnie oszacował szybkość ekspansji kosmosu na 500 kilometrów na sekundę na megaparsek, przy czym megaparsek odpowiada około 3,26 milionom lat świetlnych. Naukowiec doszedł do wniosku, że galaktyka oddalona o dwa megaparseki od naszej Galaktyki (Drogi Mlecznej) oddala się dwa razy szybciej niż galaktyka odległa od nas o zaledwie megaparsek. Oszacowanie to stało się później znane jako stała Hubble'a i po raz pierwszy dowodziło, że Wszechświat faktycznie się rozszerza. Od tego czasu astronomowie dokonują coraz to nowych, dokładniejszych pomiarów tej stałej – z różnymi rezultatami.
Przy pomocy specjalistycznych technologii astronomowie opracowali na przykład pomiary, które znacznie różniły się od pierwotnych obliczeń stałej Hubble'a, „spowalniając” tempo ekspansji Wszechświata do 50-100 km na sekundę na megaparsek. Ale w ostatnim dziesięcioleciu jeszcze bardziej wyrafinowane instrumenty naukowe (takie jak m.in. satelita Planck) zwiększyły precyzję pomiarów stałej Hubble'a w dość dramatyczny sposób.
W artykule naukowym zatytułowanym „A New Measurement of the Hubble Constant and Matter Content of the Universe using Extragalactic Background Light-Gamma Ray Attenuation" (ang. „Nowy pomiar stałej Hubble'a i zawartości materii we Wszechświecie z pomocą ekstragalaktycznego tłumienia tła światła promieniowania gamma”) zespół porównuje najnowsze dane dotyczące tłumienia promieniowania gamma, pozyskane z kosmicznego teleskopu Fermi Gamma-ray i teleskopów atmosferycznych Czerenkowa, celem oszacowania wartości stałej na bazie tzw. pozagalaktycznych modeli światła tła. Ta nowatorska strategia doprowadziła do jeszcze innego pomiaru stałej Hubble'a, dającego wartość około 67,5 kilometrów na sekundę na megaparsek.
Promieniowanie gamma to najbardziej energetyczna forma światła. Ekstragalaktyczne światło tła (EBL) to jak gdyby przenikająca kosmos mgła, składająca się z całego światła ultrafioletowego, widzialnego i podczerwonego, emitowanego przez gwiazdy lub pył znajdujący się w ich pobliżu. Kiedy jednak fotony gamma oddziałują z EBL, pozostawiają w nim zauważalny ślad – stopniową utratę przepływu – który naukowcy byli w stanie przeanalizować, formułując swą nową hipotezę.
Popularną analogią ekspansji Wszechświata jest balon z naniesionymi na niego kropkami, z których każda reprezentuje galaktykę. Kiedy balon taki jest nadmuchiwany, wszystkie kropki rozprzestrzeniają się, coraz dalej od siebie. Przy czym niektórzy astrofizycy twierdzą, że balon taki – tu reprezentujący cały Wszechświat – rozszerzy się tylko do określonego momentu w czasie, a następnie ponownie zacznie się zmniejszać i zapadać. Jednak obecnie wciąż najbardziej popularne przekonanie jest takie, że Wszechświat będzie się powiększał bez końca, dopóki wszystko w nim nie będzie znajdować się tak daleko od siebie, że nie będzie już w nim żadnego obserwowalnego światła. W tym momencie Wszechświat czeka tak zwana zimna śmierć. Ale jeśli – i zanim – faktycznie tak się stanie, miną tryliony lat.
Nie wiemy też ciągle, co właściwie sprawia, że nasz balon – czyli Wszechświat – wciąż się rozszerza. Materia, czyli gwiazdy, planety, a nawet i my – to tylko niewielki ułamek ogólnego składu Wszechświata – wyjaśnił Ajello. Zdecydowana większość kosmosu składa się z ciemnej energii i materii. Wierzymy, że to ciemna energia rozszerza „balon”. Ciemna energia to coś, co odpycha różne obiekty od siebie. Grawitacja, która przyciąga obiekty do siebie, jest silniejszą siłą we Wszechświecie na poziomie lokalnym, dlatego niektóre galaktyki nadal zderzają się ze sobą. Ale w jeszcze większych kosmicznych odległościach ciemna energia jest siłą dominującą.
Na zdjęciu: Marco Ajello, Lea Marcotulli, Abhishek Desai i Dieter Hartmann, niektórzy z autorów omawianej pracy.
Źródło: College of Science.
To niezwykłe, że możemy używać promieniowania gamma w badaniach kosmosu. Nasze techniki pozwalają na zastosowanie strategii niezależnej od wcześniej już istniejących do pomiaru kluczowych właściwości Wszechświata – powiedział Dominguez, astronom z zespołu Ajello. Nasze wyniki pokazują naukową dojrzałość osiągniętą w ostatnim dziesięcioleciu przez stosunkowo nową dziedzinę – astrofizykę wysokich energii. Opracowana przez nas analiza toruje drogę do lepszych pomiarów, jakie uda się być może wykonać w przyszłości, z pomocą sieci teleskopów CTA (ang. Cherenkov Telescope Array), która jest wciąż w fazie rozwoju i może stać się najbardziej ambitnym układem naziemnych teleskopów wysokoenergetycznych w historii.
Część metod badawczych opisanych w najnowszym artykule jest zgodna z poprzednimi pracami Ajello i jego współpracowników. We wcześniejszym projekcie, którego wyniki opisano w czasopiśmie „Science”, zespół donosi, że był w stanie zmierzyć całe światło gwiazd wyemitowane w historii Wszechświata.
Wiemy, że fotony promieniowania gamma ze źródeł pozagalaktycznych przemieszczają się we Wszechświecie w kierunku Ziemi, gdzie mogą zostać zaabsorbowane, oddziałując z fotonami pochodzącymi ze światła gwiazd – powiedział Ajello. Szybkość tych interakcji zależy tu od długości, z jaką podróżują one we Wszechświecie. A odległość, na jakiej podróżują, zależy od tempa ekspansji. Jeśli ekspansja jest powolna, podróżują na niewielką odległość. Jeśli ekspansja jest jednak wysoka, podróżują na bardzo duże odległości. A przez to zmierzona absorpcja fotonów gamma zależy bardzo silnie od wartości stałej Hubble'a. Odwróciliśmy tą zależność i wykorzystaliśmy ją do ograniczenia szybkości rozszerzania się Wszechświata.
Warto na koniec dodać, że wśród głównych autorów omawianej w tym artykule pracy jest Polak – Radek Wojtak z Uniwersytetu w Kopenhadze, który ukończył studia na kierunku astronomia na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie, a następnie obronił doktorat w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Praca naukowa: „A New Measurement of the Hubble Constant and Matter Content of the Universe using Extragalactic Background Light-Gamma Ray Attenuation”, Alberto Domínguez, Radoslaw Wojtak, Justin Finke, Marco Ajello, Kari Helgason, Francisco Prada, Abhishek Desai, Vaidehi Paliya, Lea Marcotulli, Dieter Hartmann, 2019 XI 8, „The Astrophysical Journal”
Źródło: Clemson University
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Omówione badania zespołu torują drogę dla lepszych, przyszłych pomiarów, wykonanych być może z pomocą instrumentu Cherenkov Telescope Array.
Źródło: Daniel López/IAC.
