Współczesna kosmologia stoi w obliczu jednego z największych wyzwań w swojej historii, znanego jako napięcie Hubble’a. Dwie nowe publikacje w prestiżowym czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics” rzucają nowe światło na ten problem, sugerując, że nasze bezpośrednie kosmiczne otoczenie rozszerza się w tempie znacznie wolniejszym, niż wskazywały na to dotychczasowe pomiary lokalne. Międzynarodowy zespół badawczy, w skład którego wszedł David Benisty z Instytutu Astrofizyki Leibniza w Poczdamie (AIP), wykorzystał nowatorską metodę analizy dynamiki pobliskich grup galaktyk, co doprowadziło do zaskakujących wniosków nie tylko w kwestii ekspansji wszechświata, ale również natury ciemnej materii.
Kluczem do zrozumienia ewolucji wszechświata jest stała Hubble’a, która określa tempo jego rozszerzania się. Wyraża ona zależność między prędkością oddalania się galaktyki a jej dystansem od obserwatora, mierzoną w kilometrach na sekundę na megaparsek (km/s/Mpc). Przez lata naukowcy borykali się z rozbieżnością wyników: pomiary oparte na mikrofalowym promieniowaniu tła (pozostałości po Wielkim Wybuchu) sugerują wartość około 68 km/s/Mpc. Z kolei obserwacje „późnego” wszechświata, oparte na wybuchach supernowych w odległych galaktykach, wskazywały na wartość znacznie wyższą – około 73 km/s/Mpc.
Ta różnica, choć wydaje się niewielka, podważa fundamenty naszej wiedzy o fizyce i sugeruje, że w standardowym modelu kosmologicznym brakuje istotnego elementu. Najnowsze badania oferują jednak świeże spojrzenie na ten konflikt. Zamiast skupiać się na pojedynczych eksplozjach gwiazd, naukowcy przeanalizowali ruch całych grup galaktyk osadzonych w „kosmicznym przepływie”. Wynik? Stała Hubble’a w naszym sąsiedztwie może wynosić zaledwie około 64 km/s/Mpc, co jest wartością znacznie bliższą danym z wczesnego wszechświata niż wcześniejszym pomiarom lokalnym.
Równowaga między grawitacją a ekspansją
Metodologia zastosowana przez zespół Davida Benisty’ego opiera się na fascynującym „akcie równowagi”. W obrębie grup galaktyk działają dwie przeciwstawne siły: przyciąganie grawitacyjne, które dąży do skupienia obiektów, oraz ekspansja kosmiczna, która stara się je od siebie oddalić. Analizując te wzajemne oddziaływania, badacze byli w stanie jednocześnie precyzyjnie oszacować masę badanych grup oraz tempo rozszerzania się przestrzeni, w której są one zawieszone. To holistyczne podejście pozwoliło uniknąć niektórych błędów systematycznych towarzyszących metodom opartym wyłącznie na supernowych.
Szczegółowa analiza: Grupy Centaurus A oraz M81
Badania skoncentrowały się na dwóch konkretnych strukturach. Pierwszą z nich jest grupa galaktyk Centaurus A, jedna z najbliższych nam struktur poza Grupą Lokalną. Dotychczas sądzono, że jej centrum stanowi gigantyczna galaktyka eliptyczna Centaurus A. Nowa analiza wykazała jednak coś innego: grupa ta funkcjonuje jako układ podwójny, w którym Centaurus A tworzy parę z galaktyką M83. To odkrycie pozwoliło na uzyskanie znacznie dokładniejszych szacunków masy całego układu oraz pierwszego tak precyzyjnego wyznaczenia stałej Hubble’a na podstawie tej konkretnej struktury.
Drugim badanym obiektem była grupa M81. Naukowcy już wcześniej wiedzieli, że jej centrum tworzą galaktyki M81 i M82, jednak dzięki rozszerzonemu zestawowi danych odkryto nową, uporządkowaną strukturę. Okazało się, że galaktyki satelitarne wokół tego układu tworzą płaszczyznę, która w skali do miliona lat świetlnych jest nachylona o około 34 stopnie względem szerszego otoczenia. Co ciekawe, w skali dziesięciu milionów lat świetlnych orientacja ta zmienia się, dopasowując do wielkoskalowych struktur przypominających „arkusze”, które rozciągają się aż do grupy Centaurus A.
Czy ciemna materia jest nam mniej potrzebna?
Jednym z najbardziej intrygujących wniosków z publikacji jest ten dotyczący ciemnej materii. Standardowe symulacje kosmologiczne zakładają, że każda grupa galaktyk musi być zanurzona w ogromnym halo niewidzialnej ciemnej materii, aby zachować spójność przy obserwowanych prędkościach gwiazd. Tymczasem obserwacje grup Centaurus A i M81 sugerują, że dynamika ruchu galaktyk w ich sąsiedztwie może być niemal w całości wyjaśniona przez masę widzialnych, świecących gwiazd oraz oddziaływanie ekspansji kosmicznej.
Jeśli te ustalenia zostaną potwierdzone w szerszej skali, mogą one oznaczać, że w naszym lokalnym wszechświecie znajduje się znacznie mniej ciemnej materii, niż zakładają obecne modele teoretyczne. Byłby to kolejny krok w stronę przedefiniowania naszego rozumienia „ciemnej strony” kosmosu.
Przyszłość badań i teleskop 4MOST
Choć wyniki uzyskane przez zespół Benisty’ego są obiecujące, naukowcy planują już kolejne kroki. Ich metoda, dająca kompleksowy wgląd w struktury lokalne, zostanie teraz przetestowana na znacznie większym obszarze kosmosu. Kluczowe znaczenie będą miały nadchodzące dane z instrumentów takich jak 4-meter Multi-Object Spectroscopic Telescope (4MOST). Nowe obserwacje galaktyk znajdujących się w większych odległościach pozwolą ostatecznie zweryfikować, czy niższa wartość stałej Hubble’a jest regułą, czy jedynie specyfiką naszego „podwórka”. Jeśli wyniki się utrzymają, będziemy mogli mówić o przełomie, który nie tylko rozwiąże napięcie Hubble’a, ale również dostarczy precyzyjnego spisu zawartości materii w całym wszechświecie.