Przejdź do treści

Hubble i Gaia wykonują najdokładniejsze w historii pomiary ekspansji Wszechświata

Wykorzystując moc i współdziałanie dwóch teleskopów kosmicznych, astronomowie dokonali najbardziej dokładnego pomiaru dotychczasowego tempa ekspansji Wszechświata.

Wyniki dodatkowo uwydatniają różnice między pomiarami tempa ekspansji pobliskiego i odległego, pierwotnego Wszechświata – zanim jeszcze powstały gwiazdy i galaktyki.

Łącząc obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a oraz Obserwatorium Kosmicznego Gaia, astronomowie udoskonalili poprzednią wartość stałej Hubble’a – tempo, w jakim Wszechświat się rozszerza od momentu Wielkiego Wybuchu 13,8 mld lat temu.

Ponieważ jednak pomiary stały się bardziej precyzyjne, ustalenie przez zespół stałej Hubble’a coraz bardziej różni się od pomiarów z innego obserwatorium kosmicznego, misji Planck, która przewiduje inną jej wartość. 

Planck odwzorował pierwotny Wszechświat z okresu zaledwie 360 000 lat po Wielkim Wybuchu. Całe niebo jest naznaczone podpisem Wielkiego Wybuchu, zakodowanym w mikrofalach. Planck zmierzył rozmiar zmarszczek w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła. Drobne szczegóły tych zmarszczek zawierają informacje na temat tego, ile jest ciemnej materii i normalnej materii, trajektorii Wszechświata w tamtym czasie oraz innych parametrów kosmologicznych.

Te pomiary, nadal jeszcze oceniane, pozwalają naukowcom przewidzieć, w jaki sposób wczesny Wszechświat najprawdopodobniej przekształcił by się do stopnia ekspansji, który możemy zmierzyć dzisiaj. Jednak przewidywania te wydają się nie pasować do nowych pomiarów naszego pobliskiego współczesnego Wszechświata.

Po dodaniu nowych danych z Gai i Hubble’a, pojawiają się poważne sprzeczności z danymi z Cosmic Microwave Background (CMB). Sprzeczności dotyczą poglądu naukowców na temat wczesnego i późniejszego Wszechświata.

W 2005 roku Adam Riess ze Space Telescope Science Institute, oraz członkowie zespołu SHOES (Supernova H0 for the Equation of State) postanowili zmierzyć tempo rozszerzania się Wszechświata z niespotykaną dotąd dokładnością. Dzięki połączeniu danych z Gai i Hubble’a, zespół zmniejszył niepewność pomiaru do zaledwie 2,2%.

Ponieważ stała Hubble’a jest potrzebna do oszacowania wieku Wszechświata, wartość ta jest jedną z najbardziej poszukiwanych liczb w kosmosie. Jej nazwa pochodzi od nazwiska amerykańskiego astronoma Edwina Hubble’a, który blisko sto lat temu odkrył, że Wszechświat rozszerza się równomiernie we wszystkich kierunkach. Odkrycie to zrodziło współczesną kosmologię.

Wydaje się, że galaktyki oddalają się od nas proporcjonalnie do ich odległości, co oznacza, że im dalej się znajdują, tym szybciej wydają się oddalać. Jest to konsekwencją rozszerzania się przestrzeni, a nie wartość rzeczywistej prędkości kosmicznej. Mierząc wartość stałej Hubble’a w czasie, astronomowie mogą skonstruować obraz naszej kosmicznej ewolucji, wnioskować o stworzeniu Wszechświata i odkryć wskazówki dotyczące jego ostatecznego losu.

Dwie główne metody pomiaru tej liczby dają sprzeczne wyniki. Jedna metoda jest bezpośrednia – zbudowana kosmiczna „drabina odległości” do pomiaru gwiazd w naszym lokalnym wszechświecie. Druga metoda wykorzystuje CMB do pomiaru trajektorii Wszechświata krótko po Wielkim Wybuchu, a następnie wykorzystuje fizykę do opisania Wszechświata i ekstrapolacji do obecnego stopnia ekspansji. Razem, pomiary te powinny dostarczyć kompleksowego testu naszej podstawowej wiedzy na temat tak zwanego „modelu standardowego” Wszechświata. Jednak, kawałki do siebie nie pasują.

Korzystając z Hubble’a oraz nowych danych z Gaia, zespół Reissa zmierzył obecne tempo ekspansji i otrzymał wynik 73,5 km na sekundę na megaparsek. Jednak wyniki Plancka przewidują, że Wszechświat powinien się dzisiaj rozszerzać z prędkością zaledwie 67 km na sekundę na megaparsek. Ponieważ pomiary zespołów stały się bardziej precyzyjne, przepaść między nimi stale się poszerza.

Na przestrzeni lat zespół Reissa udoskonalił wartość stałej Hubble’a, upraszczając i wzmacniając „kosmiczną drabinę odległości”, używaną do dokładnych pomiarów odległości do pobliskich i odległych galaktyk. Porównali oni te odległości z ekspansją Wszechświata mierzoną przez przesunięciem światła z pobliskich galaktyk. Wykorzystując pozorną prędkość ucieczki na każdej odległości, obliczyli stałą Hubble’a. 

Aby ocenić odległości między pobliskimi galaktykami, zespół użył specjalnego typu gwiazd, jako kosmicznego miernika. Te pulsujące gwiazdy zmienne, zwane cefeidami, zmieniają swój blask z prędkościami odpowiadającymi ich wewnętrznej jasności. Porównując wewnętrzną jasność z pozorną jasnością obserwowaną z Ziemi, naukowcy mogą obliczyć odległości do nich.

Gaia dodatkowo udoskonaliła to kryterium poprzez geometryczne pomiary do 50 zmiennych cefeid w Drodze Mlecznej. Pomiary te zostały połączone z precyzyjnymi pomiarami ich jasności uzyskanymi z Hubble’a. Pozwoliło to astronomom dokładniej skalibrować cefeidy, a następnie wykorzystać te widziane poza Drogą Mleczną jako kosmiczne mierniki.

Aby móc poprawnie używać cefeid jako kosmicznych mierników, trzeba znać zarówno ich jasność jak i odległość. Hubble dostarczył informacji o ich jasności a Gaia informacji na temat paralaks, potrzebnych do dokładnego określenia odległości.

„Hubble jest naprawdę niesamowity jako obserwatorium ogólnego przeznaczenia, ale Gaia to nowy złoty standard kalibracji odległości. Jest przeznaczona do pomiaru paralaksy. Dostarcza nowej umiejętności ponownej kalibracji wszystkich pomiarów odległości z przeszłości, i wydaje się potwierdzać naszą poprzednią pracę. Otrzymujemy tę samą odpowiedź na stałą Hubble’a, jeżeli zastąpimy wszystkie poprzednie kalibracje drabiny odległości paralaksami tylko z Gai. Jest to porównanie dwóch bardzo silnych i precyzyjnych obserwatoriów” – mówi Stefano Casertano ze Space Telescope Science Institute i członek zespołu SHOES.

Celem zespołu Reissa jest praca z Gaią, aby przekroczyć próg udoskonalenia stałej Hubble’a do wartości zaledwie 1% na początku lat 20. tego wieku. Tymczasem astrofizycy prawdopodobnie nadal będą borykać się z ponownym przeglądem swoich pomysłów na temat fizyki wczesnego Wszechświata.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Hubble and Gaia Team Up to Fuel Cosmic Conundrum

Źródło: NASA

Na zdjęciu: Pomiary odległości i jasności cefeid wykonywane przy pomocy HST i Gaia. Źródło: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)