Wszechświat rozszerza się. Tempo tej ekspansji określa tzw. stała Hubble’a. Ale trwa dyskusja wśród kosmologów na temat rzeczywistej wartości tej stałej. Różne metody pomiarów dają sprzeczne wyniki.
Jest to tzw. „napięcie Hubble’a” (ang. „Hubble tension”), które stanowi zagadkę dla kosmologów. Astronomowie z uniwersytetów w Bonn i St. Andrews zaproponowali nowe rozwiązanie. Wykorzystując alternatywną teorię grawitacji, niezgodność pomiędzy mierzonymi wartościami można łatwo wyjaśnić i tym samym napięcie Hubble’a znika. Wyniki tych badań astronomowie opublikowali w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).
Rozszerzanie się Wszechświata sprawia, że galaktyki wzajemnie się od siebie oddalają. Prędkość z jaką to zjawisko ma miejsce jest proporcjonalne do odległości pomiędzy nimi. Na przykład, jeżeli galaktyka A jest dwa razy dalej od Ziemi niż galaktyka B, to odległość od nas również powiększa się dwukrotnie. Amerykański astronom Edwin Hubble był jednym z pierwszych, który odkrył ten związek.
Dlatego, aby obliczyć jak szybko dwie galaktyki oddalają się od siebie, konieczna jest informacja na temat ich odległości. Jednakże wymaga to znajomości stałej, przez którą ta odległość musi być przemnożona. To jest tzw. stała Hubble – fundamentalny parametr kosmologii. Jej wartość może być wyznaczona na przykład poprzez obserwacje bardzo odległych obszarów Wszechświata. Ten sposób daje wartość 67,8 km/sek na jeden megaparsek odległości (1 Mpc to jest około 3,26 miliona l.św.).
67,8 km/sek na megaparsek czy 73,3?
W bliskim nam Wszechświecie obserwujemy supernowe typu Ia, których wybuchy są bardzo podobne do siebie. Jest możliwe dokładne wyznaczenie odległości do tego typu supernowych. Wiemy również, że świecące ciała niebieskie zmieniają barwę, gdy oddalają się od nas – im szybciej poruszają się, tym większa zmiana. Jest to sytuacja podobna do karetki pogotowia, której sygnał alarmowy brzmi coraz niżej w miarę, jak oddala się od nas.
Jeżeli wyznaczymy prędkość oddalania się od nas supernowych typu Ia ze zmiany ich barwy i skorelujemy to z ich odległością, to otrzymamy wartość stałej Hubble’a około 73,3 km/sek na megaparsek odległości. Dlatego wydaje się, że Wszechświat rozszerza się szybciej „w naszej okolicy” (= odległość do około 3 miliardy l.św. od nas) w porównaniu z całym Wszechświatem.
Jednakże ostatnio pojawiły się obserwacje, które mogą to wyjaśnić. Według tych danych Ziemia znajduje się w obszarze przestrzeni, gdzie jest względnie mało materii – co można porównać do bąbla powietrznego w cieście. Gęstość materii jest wyższa wokół takiego bąbla. Oddziałując z otaczającą materią, siły grawitacyjne przyciągają galaktyki znajdujące się w tym „bąblu” w kierunku brzegów tej pustki. Dlatego oddalają się one szybciej niż należałoby oczekiwać. Te odstępstwa można wyjaśnić obniżoną gęstością, która występuje lokalnie.
Rzeczywiście inna grupa badaczy ostatnio zmierzyła średnią prędkość dużej liczby galaktyk obserwowanych w odległości do 600 milionów l.św. od nas. Okazało się, że te galaktyki oddalają się od nas cztery razy szybciej niż oczekujemy od standardowego modelu kosmologicznego.
Bąbel w cieście Wszechświata
Tak jest, ponieważ standardowy model kosmologiczny nie przewiduje obniżonych gęstości lub „bąbli” – faktycznie takie obszary nie powinny istnieć. Zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym materia powinna być rozmieszczona równomiernie w przestrzeni. Gdyby jednak ten model obowiązywał, to trudno byłoby wyjaśnić, jakie siły rozpędzałyby galaktyki do tak wielkich prędkości.
Standardowy model kosmologiczny jest oparty na teorii grawitacji stworzonej przez Alberta Einsteina, a siły grawitacyjne mogą się zachowywać inaczej niż Einstein oczekiwał. Autorzy omawianej publikacji w MNRAS wykorzystali zmodyfikowaną teorię grawitacji do symulacji komputerowej. Jest to zmodyfikowana dynamika newtonowska MOND, gdzie MOND jest skrótem z j.ang. Modified Newtonian dynamics.
MOND została zaproponowana przez izraelskiego fizyka Mordehai’a Milgroma ponad 40 lat temu. Nadal jest uważana za teorię niszową – hipotezę fizyczną. Bazują na obliczeniach numerycznych, astronomowie dokładnie przewidzieli istnienie takich bąbli.
Jeżeli przyjmiemy, że grawitacja w naszym Wszechświecie funkcjonuje według założeń Milgroma, to problem napięcia Hubble’a znika. Wtedy obowiązuje tylko jedna stała Hubble’a dla rozszerzania się Wszechświata, a obserwowane odchyłki wynikają z niejednorodnego rozkładu materii.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa: A simultaneous solution to the Hubble tension and observed bulk flow within 250 h−1 Mpc
A new possible explanation for the Hubble tension
Źródło: University of Bonn
Na ilustracji: Pokazano rozkład materii w przestrzeni (niebieskie i żółte kropki reprezentują pojedyncze galaktyki). Droga Mleczna (duża zielona kropka) znajduje się w obszarze Wszechświata, gdzie jest względnie mało materii. Galaktyki w tej bańce poruszają się w kierunku większych gęstości (czerwone strzałki). Dlatego wydaje się, że wewnątrz tej bańki rozszerzanie się Wszechświata jest szybsze. Źródło: AG Kroupa/University of Bonn
