W ostatnich latach astronomia przeżywała pewien kryzys: Chociaż wiemy, że Wszechświat się rozszerza i chociaż wiemy w przybliżeniu, jak szybko, dwa podstawowe sposoby pomiaru tej ekspansji nie są zgodne.
Wszechświat się rozszerza
Wiemy o tym od czasu, gdy około 100 lat temu Edwin Hubble i inni astronomowie zmierzyli prędkość wielu otaczających galaktyk. Galaktyki we Wszechświecie są „unoszone” od siebie w wyniku tej ekspansji i dlatego oddalają się od siebie.
W miarę wzrostu odległości między dwiema galaktykami, ich oddalanie się od siebie również przyspiesza. Tempo tego ruchu jest jednym z najważniejszych parametrów w dziedzinie kosmologii. Wielkość ta jest określana jako „stała Hubble'a” i występuje w wielu równaniach oraz modelach dotyczących struktury Wszechświata i jego składników.
Kłopoty z Hubble’em
Aby zrozumieć Wszechświat, musimy zatem znać stałą Hubble’a możliwie najdokładniej. Istnieje kilka metod jej pomiaru; metody, które są od siebie niezależne, ale na szczęście dają prawie taki sam wynik.
Najprostszą metodą, którą stosowali Edwin Hubble i jego koledzy, było zlokalizowanie grupy galaktyk i pomiar ich odległości oraz prędkości. Wykorzystywali do tego poszukiwanie galaktyk z eksplodującymi gwiazdami, nazywanymi supernowymi. Dodatkowo, naukowcy analizowali nieregularności w mikrofalowym promieniowaniu tła, które pochodzi z czasów krótko po Wielkim Wybuchu.
Obie metody – metoda supernowej i metoda promieniowania tła – zawsze przynosiły nieco różne wyniki. Jednak każdy pomiar wiąże się z pewnym stopniem niepewności, a kilka lat temu niepewności te były na tyle znaczące, że można było je przypisać za rozbieżności.
Niemniej jednak, dzięki postępowi technik pomiarowych, niepewności zostały zredukowane, a teraz dotarliśmy do punktu, w którym możemy stwierdzić z dużym stopniem pewności, że obie metody nie mogą być jednocześnie poprawne.
Źródło tych „kłopotów z Hubble'em" – czy to są nieznane efekty systematyczne wpływające na jeden z wyników, czy też wskazują na nową fizykę, która dopiero zostanie odkryta – jest obecnie jednym z najbardziej dyskutowanych tematów w astronomii.
Zderzające się gwiazdy neutronowe mogą pomóc w znalezieniu odpowiedzi
Jednym z największych wyzwań w astronomii jest precyzyjne określenie odległości do galaktyk. Jednak w nowych badaniach doktorant astrofizyki Albert Sneppen z Cosmic Dawn Center w Niels Bohr Institute w Kopenhadze proponuje innowacyjną metodę pomiaru odległości, która może przyczynić się do rozwiązania trwającego sporu.
Kiedy dwie skrajnie zwarte gwiazdy neutronowe – które same w sobie są pozostałościami po supernowych – krążą wokół siebie i ostatecznie łączą się, wybuchają w nowej eksplozji, nazywanej kilonową – wyjaśnia Albert Sneppen. Niedawno udowodniliśmy, że ta eksplozja ma niezwykle symetryczny charakter, co okazuje się nie tylko piękne, ale również niezwykle użyteczne.
W trzeciej pracy, która właśnie została opublikowana, doktorant pokazuje, że kilonowe, pomimo ich złożoności, można opisać za pomocą jednej temperatury. Okazuje się też, że symetria i prostota kilonowych pozwala astronomom dokładnie wydedukować, ile światła emitują.
Porównując jasność kilonowej z ilością światła docierającą do Ziemi, naukowcy są w stanie obliczyć odległość, na jakiej znajduje się ta eksplozja. Ta nowa, niezależna metoda pomiaru umożliwia obliczenie odległości do galaktyk zawierających kilonowe.
Darach Watson jest profesorem nadzwyczajnym w Cosmic Dawn Center i współautorem badań. Wyjaśnia: Supernowe, które do tej pory były wykorzystywane do pomiaru odległości galaktyk, nie zawsze emitują taką samą ilość światła. Co więcej, wymagają one najpierw skalibrowania odległości przy użyciu innego rodzaju gwiazd, tak zwanych cefeid, które z kolei również muszą zostać skalibrowane. Dzięki kilonowym możemy ominąć te komplikacje, które wprowadzają niepewność do pomiarów.
Potwierdzenie jednej z dwóch metod
Aby wykazać potencjał tej metody, astrofizycy zastosowali ją do analizy kilonowej odkrytej w 2017 roku. Wyniki wskazują na stałą Hubble'a, która jest bliższa wartości uzyskanej przy użyciu metody promieniowania tła. Jednak naukowcy nie są jeszcze pewni, czy metoda kilonowej może w pełni rozwiązać problem z Hubble'em i stwierdzić to z pewnością.
Obecnie mamy do dyspozycji tylko jedno badanie przypadku i potrzebujemy wielu innych przykładów, aby uzyskać wiarygodne wyniki – powiedział Albert Sneppen. Jednak nasza metoda przynajmniej eliminuje niektóre znane źródła niepewności i jest bardzo „czystym” systemem badawczym. Nie wymaga kalibracji ani współczynnika korelacji.
Więcej informacji:
- Colliding neutron stars provide a new way to measure the expansion of the Universe
- On the Blackbody Spectrum of Kilonovae
Źródło: Niels Bohr Institute
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Galaktyki leżą dość nieruchomo w przestrzeni, ale sama przestrzeń się rozszerza. Powoduje to, że galaktyki oddalają się od siebie w coraz szybszym tempie. Dokładne tempo tego procesu jest jednak zagadką. Źródło: ESO/L. Calçada.
