Przejdź do treści

Wszechświat rozszerza się jeszcze szybciej

LMC-Wielki Obłok Magellana

Jak szybko rozszerza się Kosmos? Nowe obserwacje jedynie pogłębiają zagadkę stałej Hubble'a - jednej z najważniejszych liczb w kosmologii, odpowiedzialnej za jego tempo ekspansji.

Naukowcy wiedzą, że Wszechświat rozszerza się dziś znacznie szybciej niż w początkowym okresie istnienia. To fakt znany od dawna -  dzięki temu właśnie zaczęto badać tę zagadkę, nie wiadomo bowiem dokładnie, jakie procesy fizyczne są odpowiedzialne za zmienne tempo ekspansji Kosmosu. Tymczasem najnowsze dowody obserwacyjne zdają się wskazywać, że to aktualnie oszacowane tempo - o aż dziewięć procent większe niż wcześniej  przewidywano - zmusi nas do ponownego rozważenia podstawowych aspektów kosmologii. Dziewięć procent to naprawdę poważna sprawa przy obliczeniach z typową niepewnością pomiarową rzędu jednego lub dwóch procent!

Wyniki nowych obserwacji przedstawiono właśnie w czasopiśmie Astrophysical Journal. Być może zapoczątkują one nową kontrowersję wokół stałej Hubble'a - uniwersalnej miary wieku i tempa ekspansji Wszechświata.

Ostatnimi czasy liczne badania wykazały, że pomiary wartości stałej Hubble’a w oparciu o obserwacje mikrofalowego promieniowania tła stoją w wyraźnej sprzeczności z jej oszacowaniami wynikającymi z badań nad młodymi gwiazdami (takimi jak gwiazdy Drogi Mlecznej), i to nawet po uwzględnieniu efektów istnienia innych tajemniczych sił kosmicznych, w tym ciemnej energii przyspieszającej ekspansję Wszechświata. „[Wszechświat] wyprzedza wszystkie nasze [poprzednie] oczekiwania co do jego tempa ekspansji, co jest bardzo zagadkowe” - podsumowuje główny autor najnowszych badań, Adam Riess z Johns Hopkins University.

Część naukowców twierdziła do niedawna, że wynikła rozbieżność pomiarowa jest wynikiem brania pod uwagę w oszacowaniach niekompletnych (nie do końca reprezentatywnych) serii danych obserwacyjnych lub pewnych nie widocznych od razu błędów systematycznych obecnych w tych obliczeniach. Jednak w oparciu o najnowsze pomiary wykonane dla naszego kosmicznego sąsiedztwa - Wielkiego Obłoku Magellana - Riess i jego koledzy oceniają, że rozbieżność ta jest nie tylko rzeczywista, ale też większa niż dawniej uważano.

Zespół Riessa oszacował wartości stałej Hubble’a na 74,03 +/- 1,42 kilometrów na sekundę. To nie zgadza się z najlepszymi na dziś dzień pomiarami tej stałej, wynikającymi badań z danych mikrofalowych zebranych przez satelitę Planck (67,4 +/- 0,5  kilometrów na sekundę). W żargonie statystycznym różnica między tymi dwoma wynikami wynosi około 4,4 sigma. Inaczej mówiąc, jest tylko około jedna szansa na 100 000, że rozbieżność ta jest tylko przypadkiem.

Z kolei wyznaczanie stałej Hubble'a (a tym samym szybkości ekspansji Wszechświata) w oparciu o ruchy gwiazd wymaga dwóch rodzajów informacji: jak daleko znajduje się dana gwiazda i jak szybko się od nas oddala. Aby zmierzyć względną prędkość gwiazdy, astronomowie szukają charakterystycznych przesunięć linii w jej emitowanym świetle. Do pomiaru jej odległości astronomowie używają różnych narzędzi: od prostej geometrii po obserwacje gwiazd zwanych cefeidami, których jasność zmienia się w regularnym rytmie, przy czym tempo tych pulsów jasności jest ściśle związane z ogólną jasnością gwiazdy. Im jaśniejsza jest dana cefeida, tym wolniej pulsuje. To pewien uniwersalny związek, który można wykorzystać do mierzenia jasności absolutnych cefeid i zarazem ich odległości od nas.

Naukowcy wykonują te pomiary od lat, nieustannie starając się coraz precyzyjniej skalibrować znane zależności dla cefeid. Zespół Riessa użył Kosmicznego Teleskopu Hubble'a do dokładnego zaobserwowania 70 cefeid w Wielkim Obłoku Magellana, jednej z galaktyk satelitarnych Drogi Mlecznej. Te nowe dane pozwoliły im jeszcze dokładniej oszacować odległości między nami a obiektami znajdującymi się w Wielkim Obłoku Magellana, co z kolei umożliwiło z większą niż dawniej precyzją wyznaczyć stałą Hubble'a.

Jeśli Wszechświat naprawdę rozszerza się szybciej niż sądzono, wyjaśniałoby to być może jakieś nowe zjawisko fizyczne. Czy jest ono związane z nieznanymi jeszcze własnościami ciemnej materii? Czy jest ona bardziej złożona niż sobie wyobrażaliśmy? Czy jest jakiś inny rodzaj niewidzialnej cząstki w kosmosie, taki jak na przykład sterylne neutrino oddziałujące z innymi rodzajami materii tylko poprzez grawitację?

Badania te mają jeszcze jeden ciekawy aspekt. W 2017 roku naukowcy wykryli fale grawitacyjne, zmarszczki w czasoprzestrzeni generowane podczas zderzenia się ze sobą pary gwiazd neutronowych. Historyczne pomiary pozwoliły astronomom na uzyskanie niezależnej oceny stałej Hubble'a. Jak dotąd ta uzyskana wartość jest mniej więcej pomiędzy wartościami uzyskanymi z danych z Plancka i tymi pochodzącymi z kosmicznej drabiny odległości dla cefeid. Skuteczność wykorzystania zdarzeń związanych z falami grawitacyjnymi w pomiarach tempa ekspansji Wszechświata zależy jednak ściśle od liczby zderzeń gwiazd neutronowych, jakie są w stanie wykryć detektory fal grawitacyjnych takie jak LIGO czy Virgo. Do tego określenie pochodzenia miejsca emisji tych fal na niebie w praktyce jest dosyć trudne.

Riess i inni astronomowie pracują wciąż nad tym, by pomiary stałej Hubble'a były jeszcze bardziej precyzyjne - w nadziei na to, że nawet mała rozbieżność może dać ważną wskazówkę co do tajemnicy Wszechświata.


Czytaj więcej:

 

Źródło: Nature/Astrophysical Journal

Na zdjęciu: Wielki Obłok Magellana jest odległy od Ziemi o blisko  200 000 lat świetlnych. Krąży wokół Drogi Mlecznej jako galaktyka satelitarna.
Źródło: NASA, ESA, Josh Lake