Astronomowie przez wiele dziesięcioleci zakładali, że Wszechświat rozszerza się w tym samym tempie we wszystkich kierunkach. Nowe badanie oparte o dane z teleskopów XAM-Newton (ESA), Chandra (NASA) i ROSAT sugerują jednak, że to kluczowe założenie kosmologiczne może być... błędne.
Konstantinos Migkas, doktorant na uniwersytecie w Bonn, i jego promotor Thomas Reiprich początkowo chcieli tylko zweryfikować nową metodę, która miała umożliwiać naukowcom przetestowanie tak zwanej hipotezy izotropowej. Zgodnie z tym założeniem obserwowany Wszechświat w dużej skali, pomimo pewnych lokalnych różnic, ma te same właściwości, gdy spoglądamy na niego w dowolnym kierunku.
Powszechnie akceptowana i uznana przez naukę hipoteza Wielkiego Wybuchu i ekspansji Wszechświata jest poparta obserwacjami kosmicznego mikrofalowego tła (cosmic microwave background – CMB). Promieniowanie mikrofalowe, będące właśnie pozostałością po Wielkim Wybuchu, odzwierciedla stan Wszechświata w początkach jego istnienia – dla wieku kosmosu wynoszącego zaledwie 380 000 lat. Jednolity rozkład CMB na niebie sugeruje, że w tych wczesnych dniach życia Wszechświat musiał się szybko rozszerzać – i to w tym samym tempie we wszystkich kierunkach.
Teraz okazuje się jednak, że we współczesnym Wszechświecie wcale nie musi już tak być.
Wraz z innymi naukowcami przyjrzeliśmy się zachowaniu ponad 800 gromad galaktyk we współczesnym Wszechświecie – mówi Konstantinos. Gdyby hipoteza izotropii była prawdziwa, właściwości tych gromad byłyby takie same na całym niebie. Tymczasem zauważyliśmy znaczne różnice.
Astronomowie wykorzystali rentgenowskie pomiary temperatury niezwykle gorącego gazu, który przenika gromady galaktyk, i porównali te dane z jasnością gromad na niebie. Gromady o tej samej temperaturze i umieszczone w podobnej odległości od nas powinny wydawać się nam dziś podobnie jasne. Ale czegoś takiego wcale nie zaobserwowano.
Widzieliśmy, że gromady o tych samych właściwościach i podobnych temperaturach są mniej jasne niż można by się spodziewać w jednym kierunku nieba, ale już dużo jaśniejsze niż oczekiwano, gdy patrzyliśmy w innym kierunku – tłumaczy Thomas. Różnica była dość znacząca, rzędu około 30 procent. Różnice te nie są przypadkowe, wykazywały wyraźny wzór w zależności od kierunku, w którym obserwowaliśmy niebo.
Przed efektownym podważeniem powszechnie akceptowanego modelu i paradygmatu kosmologicznego, który stanowi również podstawę metod szacowania odległości gromad galaktyk, Konstantinos i jego koledzy najpierw przeanalizowali inne możliwe wyjaśnienia nietypowych obserwacji. Być może odpowiadały za nie niewykryte dotąd obłoki gazu lub pyłu, powodujące, że gromady obserwowane w określonym obszarze nieba wydają się nam ciemniejsze? Ale dane nie potwierdziły tego dosyć wiarygodnego scenariusza.
W niektórych rejonach kosmosu na rozkład gromad mogą też teoretycznie wpływać przepływy masowe, czyli ruchy materii odbywające się na dużą skalę, powodowane grawitacyjnym przyciąganiem bardzo masywnych struktur, takich jak duże grupy gromad. Ta hipoteza wydaje się jednak również mało prawdopodobna. Konstantinos dodaje, że odkrycie zupełnie zaskoczyło zespół.
Gdyby Wszechświat był naprawdę anizotropowy, nawet tylko dla ostatnich kilku miliardów lat, oznaczałoby to ogromną zmianę paradygmatu, ponieważ kierunek każdego obiektu na niebie musiałby być brany pod uwagę zawsze przy naukowej próbie analizy jego właściwości. Na przykład dzisiaj szacujemy odległości do bardzo odległych obiektów we Wszechświecie, stosując zestaw parametrów kosmologicznych i odpowiednich równań. Uważamy zazwyczaj, że parametry te są wszędzie takie same. Ale jeśli nasze nowe wnioski są słuszne, nie byłoby tak i musielibyśmy przejrzeć ponownie wszystkie wcześniejsze wnioski kosmologiczne.
Naukowcy spekulują, że ten potencjalnie nierównomierny efekt kosmicznej ekspansji może być powodowany ciemną energią – tajemniczym składnikiem kosmosu, który stanowi większość – około 69 procent – jego całkowitej energii. Obecnie niewiele wiadomo na temat ciemnej energii – poza tym, że wydaje się, że przyspieszyła ona ekspansję Wszechświata w ciągu ostatnich kilku miliardów lat.
Nowy nadchodzący teleskop ESA, Euclid, zaprojektowany specjalnie w celu obrazowania miliardów galaktyk, badań ekspansji kosmosu i jej przyspieszenia, oraz natury ciemnej energii, może pomóc już niebawem rozwiązać tę fascynującą zagadkę.
Te odkrycia są naprawdę interesujące, ale próbka gromad wykorzystana w badaniu jest wciąż stosunkowo niewielka – za mała, aby móc wyciągnąć tak głębokie wnioski – mówi z kolei Rene Laureijs, naukowiec projektu Euclid w ESA. To najlepsze, co można teraz zrobić z dostępnymi danymi, ale gdybyśmy chcieli naprawdę przemyśleć na nowo powszechnie przyjęty obecnie model kosmologiczny, potrzebowalibyśmy dużo więcej tego typu danych.
Teleskop Euclid może nam ich w przyszłości dostarczyć. Satelita, który zostanie wystrzelony w kosmos najprawdopodobniej w roku 2022, pomoże więc teoretycznie nie tylko w znalezieniu dowodów na to, że ciemna energia być może naprawdę nierównomiernie rozciąga Wszechświat w różnych kierunkach, ale i hipotetycznie umożliwi naukowcom zebranie większej ilości danych na temat właściwości dużej liczby gromad galaktyk, które mogą poprzeć lub obalić obecne ustalenia.
Wkrótce też pojawią się dalsze dane z rentgenowskiego urządzenia eROSITA, zbudowanego przez Instytut Maxa Plancka. Instrument, znajdujący się na pokładzie niedawno wysłanego na orbitę, niemiecko-rosyjskiego satelity Spektr-RG, przeprowadzi pierwsze badania całego nieba w promieniach rentgenowskich o średnich energiach, koncentrując się na odkrywaniu dziesiątek tysięcy nieznanych wcześniej gromad galaktyk i aktywnych centrów galaktycznych.
Czytaj więcej:
- Oryginalna publikacja: Probing Cosmic Isotropy with a New X-ray Galaxy Cluster Sample Through the L_x-T Scaling Relation, Konstantinos Migkas et al., Astronomy & Astrophysics (8 IV 2020)
- Cały artykuł oryginalny
- CXC/MSFC - cała publikacja
Źródło: ESA
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Mapa pokazująca tempo ekspansji Wszechświata, obserwowane w różnych kierunkach na niebie, powstała w oparciu o dane z teleskopów XMM-Newton, Chandra i ROSAT. Źródło: K. Migkas et al. 2020, CC BY-SA 3.0 IGO
