Pomiary Teleskopu Webba rzuciły nowe światło na trwającą od dekady tajemnicę dotyczącą tempa ekspansji Wszechświata.
Tempo rozszerzania się Wszechświata, znane jako stała Hubble’a, jest jednym z kluczowych parametrów umożliwiających zrozumienie ewolucji i ostatecznego losu kosmosu. Jednak pomiędzy wartością stałej mierzonej przy użyciu różnorodnych niezależnych wskaźników odległości a jej wartością przewidywaną na podstawie promieniowania reliktowego po Wielkim Wybuchu, obserwuje się istnienie pewnej stałej różnicy, nazywanej napięciem Hubble’a. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba potwierdził, że wyniki obserwacji potwierdzają trafność wcześniejszych pomiarów dokonanych przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a, eliminując wszelkie wątpliwości co do jego pomiarów.
Jednym z naukowych powodów budowy HST było wykorzystanie jego mocy obserwacyjnej do dokładnego określenia tempa ekspansji Wszechświata. Przed uruchomieniem Hubble’a w 1990 roku, obserwacje za pomocą teleskopów naziemnych były obarczone znaczną niepewnością. W zależności od wyznaczonych wartości tempa ekspansji, wiek Wszechświata szacowano na od 10 do 20 miliardów lat. W ciągu ostatnich 34 lat Hubble zmniejszył tę niepewność do mniej niż 1%, zbliżając się do wieku wynoszącego 13,8 miliarda lat. Osiągnięto to poprzez ulepszenie tzw. kosmicznej drabiny odległości za pomocą pomiarów istotnych etapów znanych jako gwiazdy zmienne cefeidy.
Jednak wartość Hubble’a nie zgadza się z innymi pomiarami, które sugerują, że Wszechświat rozszerzał się szybciej po Wielkim Wybuchu. Obserwacje te zostały wykonane przez satelitę Planck mapującego mikrofalowe promieniowanie tła – plan ewolucji struktury Wszechświata po jego ochłodzeniu po Wielkim Wybuchu.
Prostym rozwiązaniem tego problemu byłoby założenie, że obserwacje Hubble’a mogą być błędne ze względu na możliwe niedokładności w pomiarach. Pojawił się jednak JWST, który umożliwił astronomom weryfikację wyników Hubble’a. Obrazy cefeid w podczerwieni uzyskane przez Teleskop Jamesa Webba zgadzały się z danymi Hubble’a uzyskanymi w świetle optycznym. Webb potwierdził, że wyniki obserwacji Hubble’a były poprawne, eliminując wszelkie wątpliwości co do dokładności pomiarów Hubble’a.
Najważniejsze jest to, że tak zwane napięcie Hubble’a między tym, co się dzieje w pobliskim Wszechświecie w porównaniu z ekspansją wczesnego Wszechświata, pozostaje dokuczliwą zagadką dla kosmologów. W strukturę kosmosu może być wplecione coś, czego jeszcze nie rozumiemy.
Czy rozwiązanie tej rozbieżności wymaga nowej fizyki? A może jest to wynik błędów pomiarowych między dwiema różnymi metodami stosowanymi do określenia tempa rozszerzania się kosmosu?
Hubble i Webb połączyli teraz siły, aby dokonać ostatecznych pomiarów, potwierdzając, że coś innego – a nie błędy pomiarowe – wpływa na tempo ekspansji.
Po wyeliminowaniu błędów pomiarowych pozostaje realna i ekscytująca możliwość, że źle zrozumieliśmy Wszechświat – powiedział Adam Riess, fizyk z John Hopkins University w Baltimore. Adam otrzymał Nagrodę Nobla za współodkrycie faktu, że ekspansja Wszechświata przyspiesza dzięki tajemniczemu zjawisku zwanemu obecnie ciemną energią.
Dla porównania, wstępne obserwacje Webba w 2023 roku potwierdziły dokładność pomiarów Hubble’a dotyczących ekspansji Wszechświata. Pomimo tego, że niektórzy naukowcy mieli nadzieję na rozwiązanie napięcia Hubble’a, spekulowali, że ewentualne niedokładności w pomiarach mogą się nasilić i stać widoczne podczas dalszych obserwacji kosmosu. W szczególności, gromadzenie się gwiazd może wpływać na pomiary jasności bardziej odległych gwiazd w sposób systematyczny.
Zespół SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), kierowany przez Adama, uzyskał za pomocą JWST dodatkowe obserwacje obiektów będących krytycznymi kosmicznymi znacznikami milowymi, znanymi jako cefeidy, które można teraz skorelować z danymi z Hubble’a.
Objęliśmy teraz cały zakres tego, co zaobserwował Hubble i możemy wykluczyć błąd pomiarowy jako przyczynę napięcia Hubble’a – powiedział Adam.
Kilka pierwszych obserwacji Webba w 2023 roku skończyło się sukcesem, pokazując, że Hubble jest na dobrej drodze do ustalenia dokładności pierwszych szczebli kosmicznej drabiny odległości.
Astronomowie stosują różne metody pomiaru względnych odległości we Wszechświecie, w zależności od obserwowanego obiektu. Łącznie techniki te znane są jako kosmiczna drabina odległości – każdy szczebel lub technika pomiarowa opierają się na poprzednim etapie kalibracji.
Niektórzy astronomowie sugerowali, że poruszając się wzdłuż „drugiego szczebla”, drabina kosmicznych odległości może ulec zachwianiu, gdyż pomiary cefeid mogą stać się mniej dokładne wraz z odległością. Takie niedokładności mogą wystąpić, ponieważ światło cefeid może zlewać się ze światłem sąsiednich gwiazd – ten efekt może stawać się bardziej zauważalny w miarę wzrostu odległości, ponieważ gwiazdy gromadzą się na niebie i stają się trudniejsze do odróżnienia od siebie.
Wyzwaniem obserwacyjnym jest to, że wcześniejsze obrazy bardziej odległych cefeid zarejestrowane przez Hubble'a wydają się być bardziej skupione i nakładają się na sąsiednie gwiazdy w coraz większych odległościach między nami a galaktykami macierzystymi, co wymaga dokładnego uwzględnienia tego efektu. Obecność pyłu dodatkowo komplikuje pewność pomiarów w świetle widzialnym. Teleskop Webba przenika pył i naturalnie izoluje cefeidy od sąsiednich gwiazd, ponieważ jego zdolność rozdzielcza jest większa niż u Hubble'a w zakresie podczerwieni.
Połączenie Webba i Hubble’a daje nam to, co najlepsze z obu światów. Okazuje się, że pomiary Hubble’a pozostają wiarygodne, gdy wspinamy się dalej po kosmicznej drabinie odległości – powiedział Adam.
Nowe obserwacje Webba obejmują pięć galaktyk macierzystych ośmiu supernowych typu Ia zawierających łącznie 1000 cefeid i sięgają do najdalszej galaktyki, w której cefeidy zostały dobrze zmierzone – NGC 5468, oddalonej o 130 milionów lat świetlnych od nas. Obejmuje to cały zakres, w którym dokonaliśmy pomiarów za pomocą Hubble’a. Dotarliśmy więc do końca drugiego szczebla kosmicznej drabiny odległości – powiedział współautor pracy Gagandeep Anand ze Space Telescope Science Institute w Baltimore, który obsługuje teleskopy Webba i Hubble’a dla NASA.
Obecnie wygląda to tak, jakby drabina odległości obserwowana przez Hubble’a i Webba mocno zakotwiczyła się na jednym brzegu rzeki, a poświata Wielkiego Wybuchu obserwowana przez Plancka od początku Wszechświata jest mocno osadzona na drugim brzegu. Nie udało się jeszcze bezpośrednio zaobserwować, jak zmieniała się ekspansja Wszechświata w ciągu miliardów lat pomiędzy tymi dwoma punktami końcowymi. Musimy dowiedzieć się, czy czegoś nam nie brakuje w kwestii tego, jak połączyć początek Wszechświata z dniem dzisiejszym - powiedział Adam.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Webb & Hubble confirm Universe’s expansion rate
- JWST Observations Reject Unrecognized Crowding of Cepheid Photometry as an Explanation for the Hubble Tension at 8σ Confidence
Źródło: ESA
Na ilustracji: NGC 5468 – Galaktyka macierzysta cefeid. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI)
