Różnice w pomiarach stałej Hubble’a to nie przypadek

Pomiary obecnego tempa ekspansji Wszechświata, wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, nie zgadzają się z tempem ekspansji oczekiwanym na podstawie tego jak wszechświat wyglądał tuż po Wielkim Wybuchu 13 miliardów lat temu. Wykorzystując nowe dane zebrane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, astronomowie znacząco obniżyli możliwość tego, że ta niezgodność jest tylko dziełem przypadku.

Wykorzystując nowe obserwacje wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a badacze poprawili podstawy kosmicznej drabinki odległości, wykorzystywanej do obliczania odległości do pobliskich galaktyk. Dokonano tego obserwując pulsujące gwiazdy, tzw. cefeidy, znajdujące się w Wielkim Obłoku Magellana, który znajduje się 162 000 lat świetlnych od Ziemi. Przy określaniu odległości do galaktyk znajdujących się coraz dalej, takie cefeidy wykorzystywane są jako markery odległości. Badacze wykorzystali te pomiary do określenia jak szybko wszechświat się rozszerzał na przestrzeni czasu, czyli tak zwanej stałej Hubble’a.

Przed wyniesieniem Hubble’a w przestrzeń kosmiczną w 1990 roku, szacunki stałej Hubble’a różniły się o czynnik dwóch. Pod koniec lat dziewięćdziesiątych projekt Key Project on the Extragalactic Distance Scale określił wartość stałej Hubble’a do 10 procent, realizując w ten sposób jedno z najważniejszych zadań teleskopu. W 2016 roku astronomowie korzystający z Hubble’a odkryli, że wszechświat rozszerza się między 5 a 9 procent szybciej niż wcześniej obliczono precyzując pomiary stałej Hubble’a i redukując niepewność do zaledwie 2,4 procent. W 2017 roku niezależne pomiary potwierdziły te wyniki. W ramach najnowszych badań zminimalizowano niepewność wartości stałej Hubble’a do niespotykanych 1,9 procent.

Najnowsze badania wskazują także, że prawdopodobieństwo tego, aby ta rozbieżność między pomiarami obecnego tempa ekspansji wszechświata a wartością oczekiwaną w oparciu o ekspansję wczesnego wszechświata była jedynie błędem wynosi zaledwie 1 na 100 000, a to znaczna poprawa względem zeszłorocznych szacunków 1 na 3000.

“Ta różnica w tempie ekspansji wszechświata we wczesnym i obecnym wszechświecie może być najbardziej ekscytującą zagadką kosmologii od dziesięcioleci” mówi główny badacz laureat Nagrody Nobla Adam Riess z STScI (Space Telescope Science Institute) oraz Johns Hopkins University w Baltimore. “Ta niezgodność rosła i osiągnęła obecnie punkt, w którym nie można jej uważać za przypadek”.

Gdy pomiary wykonywane przez badaczy stawały się coraz bardziej precyzyjne, obliczenia stałej Hubble’a nie zgadzały się z oczekiwaną wartością wyprowadzoną z obserwacji tempa rozszerzania wczesnego wszechświata za pomocą europejskiego satelity Planck. Jego pomiary pozwoliły tworzyć mapę pozostałej poświaty po Wielkim Wybuchu, tak zwanego kosmicznego promieniowania tła, które umożliwiły naukowcom przewidzieć jak wczesny wszechświat mógł ewoluować do tempa ekspansji mierzonego obecnie.

Nowa wartość stałej Hubble’a wynosi 74,03 kilometry na sekundę na megaparsek. Wartość wskazuje, że wszechświat rozszerza się w tempie 9 procent szybszym niż wskazują na to obserwacje wczesnego wszechświata wykonane za pomocą Plancka, które wartość stałej Hubble’a ustaliły na 67,4 kilometra na sekundę na megaparsek.

Aby uzyskać swoje wyniki Riess ze swoim zespołem przeanalizował światło pochodzące z 70 cefeid w Wielkim Obłoku Magellana. Ponieważ gwiazdy te jaśnieją i ciemnieją w przewidywalnym tempie, a okresy tych zmian wskazują na ich jasność, a tym samym odległość, astronomowie wykorzystują je jako kosmiczne mierniki odległości. Zespół Riessa wykorzystał skuteczną technikę obserwacyjną zwaną Drift And Shift (DASH) za pomocą Hubble’a, używając go jako szybkiej kamery do wykonywania szybkich zdjęć jasnych gwiazd. Eliminuje to konieczność czasochłonnego ustawiania teleskopu za pomocą gwiazd naprowadzających przed obserwacjami każdej z gwiazd. Wyniki połączono z obserwacjami wykonanymi w ramach projektu Araucaria realizowanego przez astronomów z instytucji europejskich, chilijskich i amerykańskich, w ramach którego mierzono odległość do Wielkiego Obłoku Magellana obserwując pociemnienie światła jednej gwiazdy w układach podwójnych, gdy druga gwiazda przechodziła na ich tle.

Ponieważ modele kosmologiczne wskazują, że obserwowane wartości tempa ekspansji wszechświata powinny być takie same jak te oszacowane na podstawie Kosmicznego Promieniowania Tła, być może do wyjaśnienia nieścisłości potrzebna jest jakaś nowa fizyka.

Do wyjaśnienia nieścisłości proponowano różne scenariusze, ale jak na razie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Niewidoczna forma materii, tzw. ciemna materia, może silniej oddziaływać z normalną materią. Być może ciemna energia, nieznana forma energii wypełniająca przestrzeń, jest odpowiedzialna za przyspieszanie tempa ekspansji wszechświata.

Choć Riess nie ma jeszcze żadnego rozwiązania tej zdumiewającej zagadki, wraz ze swoim zespołem zamierza kontynuować próby obniżenia niepewności w swoich pomiarach stałej Hubble’a, którą mają zamiar zredukować do 1 procenta.

Wyniki badań zostały zaakceptowane do publikacji w periodyku Astrophysical Journal.

Źródło: STScI

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.