Wszechświat nie rozszerza się tak, jak powinien. Gdzie popełniamy błąd w obliczeniach?
Nazwisko Hubble’a jest nierozłącznie związane z kosmosem. Większości kojarzy się zapewne z pierwszym teleskopem umieszczonym na orbicie, który nosił jego nazwisko. Pojazd ten został tak nazwany ze względu na jedno z najbardziej doniosłych odkryć, jakiego kiedykolwiek dokonano w astronomii. Jego autor - właśnie Edwin Hubble - odkrył, że Wszechświat się rozszerza.
Ten fakt od niemal stu lat jest jednym z fundamentów naszego rozumienia kosmosu i procesów jakie w nim zachodzą.
W jakim tempie rozszerza się Wszechświat?
Teraz trzech fizyków z Uniwersytetu Michigan w USA: Nhat-Minh Nguyen, Dragan Huterer i Yuewei Wen zaproponowało zmianę do obowiązującego modelu, którego autorem jest Hubble, co może pomóc w rozwiązaniu jednego z najbardziej dokuczliwych problemów nauki.
Chodzi o rozszerzanie się Wszechświata, a ściślej o tempo, w jakim zachodzi. Tak naprawdę nie wiemy, co powoduje ciągłą ekspansję kosmosu. Zakładamy, że jest to coś, co nazywamy ciemną energią. Jakby tego było mało nie jesteśmy także w stanie określić dokładnego tempa, w jakim zachodzi. Jest określane jako H0, czyli stała Hubble’a. Tym co spędza sen z powiek astronomom jest to, że różne sposoby jej pomiaru dają różne wyniki.
Na Spider’s Web sporo piszemy na temat kosmosu:
Dokonując pomiarów rozszerzania się Wszechświata skupiamy się na badaniu jego reliktów, tj. resztki światła w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła lub falach akustycznych zamrożonym w czasie.
Innym sposobem jest pomiar odległości do obiektów o znanej jasności wewnętrznej, tj. supernowe typu Ia lub gwiazdy zmienne, których światło zmienia się regularnie na skutek pulsacji. Ich pulsy powodują okresowe zmiany wielkości gwiazdy oraz temperatury powierzchni i typu widmowego światła, jakie emitują.
Pierwsza metoda pomiarów tempa rozszerzania się Wszechświata wskazuje na tempo ekspansji wynoszące około 67 kilometrów na sekundę na megaparsek. Druga - około 73 kilometrów na sekundę na megaparsek. Rozbieżność między tymi dwoma wartościami znana jest jako napięcie Hubble'a. To różnica wynosząca jedynie 7 kilometrów na sekundę, co w skali omawianych obiektów jest znikome. Jest to jednak różnica zbyt duża i zbyt uporczywie pojawiająca się w rozmaitych badaniach, by można ją było zignorować.
Głównym uzasadnieniem dla budowy Kosmicznego Teleskopu Hubble'a było rozwiązanie właśnie tego problemu. Hubble ma lepszą rozdzielczość jeśli chodzi o obserwacje długości fali widzialnej niż jakikolwiek teleskop naziemny, ponieważ znajduje się ponad ziemską atmosferą. W rezultacie możemy zidentyfikować poszczególne zmienne stopnie jasności gwiazd w galaktykach odległych o ponad sto milionów lat świetlnych i zmierzyć przedział czasu, w którym zmieniają one swoją jasność.
Aby przebić się przez pył przesłaniający światło, obserwacje muszą być prowadzone w paśmie bliskiej podczerwieni - tej części widma elektromagnetycznego, do której Hubble niespecjalnie się nadaje. Oznacza to, że zawsze istnieje pewna niepewność odnośnie uzyskanych danych z tego teleskopu.
Co mówi nam Teleskop Kosmiczny Webba?
Teraz mamy jednak drugi teleskop w kosmosie - nowy Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST). Jest on zdolny do prowadzenia obserwacji w podczerwieni, a wszelkie zebrane przez niego dane nie podlegają tym samym ograniczeniom, co w przypadku jego poprzednika.
Naukowcy najpierw skierowali JWST na galaktykę znajdującą się w znanej nam odległości, aby skalibrować teleskop pod kątem jasności zmiennych cefeid. Następnie przystąpili do obserwowali cefeidów w innych galaktykach. W sumie JWST wykonał obserwacje 320 cefeid. Okazało się, że dane Hubble'a były zgodne z obserwacjami Webba. Oznacza to, że wciąż nie możemy wykluczyć i pominąć obliczeń dotyczących H0 na podstawie danych Hubble'a. Wspomniane tempo ekspansji Wszechświata wynoszące 73 kilometry na sekundę na megaparsek na razie się utrzymuje, a błąd ludzki - przynajmniej w tym przypadku - nie może tłumaczyć napięcia Hubble'a.
Nadal nie wiemy co powoduje to napięcie
Jednym z głównych kandydatów jest ciemna energia - tajemnicza i niezidentyfikowana ale jak się wydaje fundamentalna siła, która wydaje się rozpychać Wszechświat od wewnątrz, jak powietrze napełniające balon.
Wspomniana trójka naukowców z Michigan postanowiła przyjrzeć się jednemu z modeli kosmologicznych o nazwie ΛCDM (Lambda-CDM). Może on zawierać wytłumaczenie napięcia Hubble’a. Jeśli obserwujemy tempo ekspansji i rozumiemy siły jakie za nim stoją, możemy prześledzić ten proces od jego początku. Czyli od Wielkiego Wybuchu do momentu, w którym formują się galaktyki i które ostatecznie grupują się w gromady rozciągające się na niewyobrażalne odległości, tworząc największe struktury znane w całym kosmosie.
Naukowcy wykorzystali kombinację pomiarów obejmujących tzw. zmarszczki w sieci galaktyk w kosmosie, soczewkowanie grawitacyjne i dane na temat tła mikrofalowego, aby dojść do statystycznie przekonującego wniosku, że skupiska galaktyk rozszerzają się wolniej niż przewiduje to model kosmologii ΛCDM.
Jak stwierdził jeden z trójki naukowców, Minh Nguyen:
Różnica w tych tempach wzrostu, które potencjalnie odkryliśmy, staje się bardziej widoczna, gdy zbliżamy się w naszych symulacjach do momentu obecnego. Albo więc brakuje nam błędów systematycznych w każdej z użytych metod obliczeniowych, albo brakuje nam czegoś nowego, nieznanego w modelu standardowym.
