Nowe pomiary stałej Hubble’a tylko pogłębiają tajemnicę tempa rozszerzania się wszechświata

Astronomowie wykonali nowe pomiary tego jak szybko rozszerza się wszechświat, wykorzystując do tego innego rodzaju gwiazdy niż wcześniej. Nowe pomiary wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a podgrzewają tylko gorącą już debatę w astrofizyce, której rozstrzygnięcie może prowadzić do nowej interpretacji fundamentalnych właściwości wszechświata.

Naukowcy od niemal stulecia wiedzą, że wszechświat się rozszerza, że odległości między galaktykami we wszechświecie rosną z każdą sekundą. Jednak ustalenie tempa tego rozszerzania czyli tak zwanej stałej Hubble’a wciąż okazuje się trudne.

Prof. Wendy Freedman z Uniwersytetu w Chicago wraz ze współpracownikami wykonała nowe pomiary tempa ekspansji we współczesnych wszechświecie, które wskazują, że przestrzeń między galaktykami rozciąga się szybciej niż naukowcy przypuszczali. Badania Freedman to tylko jedne z kilku ostatnich projektów badawczych, które wskazują na rozbieżność między pomiarami współczesnej ekspansji a przewidywaniami opierającymi się na wszechświecie takim jakim był ponad 13 miliardów lat temu bazującymi na pomiarach wykonanych za pomocą satelity Planck.

Skoro coraz więcej badań wskazuje na rozbieżności między przewidywaniami i obserwacjami, naukowcy zastanawiają się czy nie powinni stworzyć nowego modelu fizyki wszechświata, która potrafiłaby go wyjaśnić.

“Stała Hubble’a to kosmologiczny parametr, który ustala absolutną skalę, rozmiary i wiek wszechświata; to jeden z najbardziej bezpośrednich sposobów na ujęcie w liczby ewolucji wszechświata” mówi Freedman. “Obserwowana wcześniej rozbieżność nie zniknęła, ale nowe dowody wskazują, że wciąż nie ma bezpośrednich i przekonujących dowodów na to, że mamy do czynienia z jakimś fundamentalnym błędem w naszym obecnym modelu wszechświata”.

W najnowszym artykule zaakceptowanym do publikacji w periodyku The Astrophysical Journal, Freedman i jej zespół ogłosili nowe pomiary stałej Hubble’a wykonane w oparciu o czerwone olbrzymy. Nowe obserwacje przeprowadzone za pomocą Hubble’a wskazują, że tempo ekspansji w pobliskim wszechświecie wynosi niecałe 70 kilometrów na sekundę na megaparsek (km/s/Mpc). Jeden parsek to około 3,26 lat świetlnych.

Nowa wartość jest nieco niższa od 74 km/s/Mpc – wartości otrzymanej przez zespół Hubble SH0ES (Supernovae H0 for the Equation of State), który wykonywał pomiary w oparciu o cefeidy.

Głównym wyzwaniem w pomiarach tempa ekspansji wszechświata jest precyzyjne obliczenie odległości do odległych obiektów.

W 2001 roku Freedman kierował zespołem, który wykorzystywał odległe gwiazdy do pomiarów stałej Hubble’a. Zespół projektu Hubble Space Telescope Key Project mierzył tę wartość opierając się na cefeidach jako markerach odległości. W ramach tego projektu badacze doszli do wartości 72 km/s/Mpc.

Nieco później naukowcy przyjęli zupełnie inne podejście: postanowili zbudować model opierający się o strukturę światła pozostałego po wielkim wybuchu, tak zwanego Kosmicznego Promieniowania Tła. Pomiary wykonane za pomocą Plancka pozwoliły badaczom sprawdzić jak wczesnych wszechświat mógł ewaluować do tempa ekspansji badanego obecnie. W ten sposób badacze otrzymali wartość 67,4 km/s/Mpc, która znacząco się różni od 74 km/s/Mpc – wartości opierającej się na cefeidach.

Astronomowie szukają przyczyn tej niezgodności. “Naturalnie, powstaje pytanie czy ta rozbieżność spowodowana jest jakimś aspektem badanych gwiazd, którego astronomowie jeszcze nie rozumieją, czy też nasz kosmologiczny model wszechświata jest wciąż niepełny” mówi Freedman.

Prowadzony przez Freedman zespół postanowił sprawdzić swoje wyniki opracowując nową i zupełnie niezależny sposób pomiaru stałej Hubble’a, wykorzystując do tego innego rodzaju gwiazdy.

Określone gwiazdy kończą swoje życie jako bardzo jasne czerwone olbrzymy. W pewnym momencie ewolucji, we wnętrzu takiej gwiazdy dochodzi do katastroficznego zdarzenia zwanego błyskiem helowym, w którym temperatura rośnie do około 100 milionów stopni, a struktura gwiazdy ulega zmianie,co ostatecznie znacząco zmniejsza jej jasność. Astronomowie mogą mierzyć obserwowaną wielkość gwiazdową czerwonych olbrzymów na tym etapie, w różnych galaktykach, w ten sposób ustalając ich odległość od Ziemi.

Stałą Hubble’a oblicza się porównując wartość odległości z obserwowaną prędkością oddalania się ich galaktyk macierzystych. Wykonane przez badaczy obliczenia prowadzą do wartości stałej Hubble’a na poziomie 69,8 km/s/Mpc – różniącej się od wartości uzyskach przez zespół Planck i zespół Riessa.

“Początkowo myśleliśmy, że skoro musimy rozstrzygnąć na korzyść albo cefeid albo Kosmicznego Promieniowania Tła, to metoda czerwonych olbrzymów może nam w tym pomóc” mówi Freedman. Jednak wyniki nie wskazują na żadną z tych metod, aczkolwiek są bardziej zbliżone do wyników uzyskanych za pomocą Plancka.

Opracowywany przez NASA teleskop Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), którego start planuje się na połowę lat dwudziestych, pozwoli astronomom dokładniej badać wartość stałej Hubble’a na przestrzeni historii wszechświata. WFIRST charakteryzujący się rozdzielczością Hubble’a oraz 100 razy większym polem widzenia, dostarczy nam nowych supernowych typu Ia, cefeid i czerwonych olbrzymów, które fundamentalnie poprawią nasze pomiary odległości do galaktyk w bliskim i odległym wszechświecie.

Źródło: NASA Goddard Space Flight Center / phys.org

Author: Radek Kosarzycki

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