Od ponad dwóch dekad astronomowie zmagają się z jednym z najbardziej fundamentalnych problemów współczesnej fizyki. Choć wiemy, że wszechświat nieustannie się rozszerza, a tempo tej ekspansji przyspiesza, naukowcy wciąż nie potrafią uzgodnić precyzyjnej wartości tego wzrostu. Rozbieżność ta, znana w literaturze fachowej jako napięcie Hubble’a, stała się punktem wyjścia dla przełomowych badań prowadzonych przez zespół ekspertów z University of Illinois Urbana-Champaign oraz University of Chicago. Ich nowatorskie podejście, oparte na detekcji subtelnych zmarszczek w samej tkaninie czasoprzestrzeni, może wkrótce dostarczyć brakujący element kosmicznej układanki.
Kluczem do zrozumienia problemu jest tzw. stała Hubble’a – parametr określający tempo ekspansji wszechświata. Problem polega na tym, że różne metody pomiarowe dają różne wyniki wartości tej stałej. Gdy astronomowie spoglądają na „lokalny”, współczesny wszechświat, wykorzystując jako świece standardowe supernowe typu Ia (eksplodujące gwiazdy o ściśle określonej jasności), otrzymują jedną wartość. Jednak gdy obliczenia zaczynają się od analizy wczesnego kosmosu i mikrofalowego promieniowania tła przy użyciu standardowego modelu kosmologicznego, wynik jest zupełnie inny.
Co ważne, to nie jest jedynie błąd statystyczny – to głęboki rozdźwięk, który sugeruje, że nasze rozumienie praw fizyki rządzących wszechświatem może być niepełne. Właśnie dlatego naukowcy od dawna poszukiwali trzeciej, niezależnej drogi pomiaru, która mogłaby pełnić rolę arbitra w tym sporze. Jak wyjaśnia Nicolas Yunes, dyrektor Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU), uzyskanie niezależnego pomiaru stałej Hubble’a jest kluczowe dla rozwiązania obecnego impasu.
Fale grawitacyjne: Nowe narzędzie Einsteina
Fundamentem proponowanego rozwiązania są fale grawitacyjne, których istnienie Albert Einstein przewidział już w 1915 roku w ogólnej teorii względności. Zgodnie z jej założeniami, obiekty o ogromnej masie zakrzywiają czasoprzestrzeń, a ich gwałtowne przyspieszanie – na przykład podczas zderzenia czarnych dziur – generuje fale rozchodzące się we wszechświecie z prędkością światła. Pierwszej bezpośredniej detekcji tych sygnałów dokonano w 2015 roku dzięki obserwatorium LIGO, co otworzyło erę astronomii wieloaspektowej (multi-messenger astronomy).
Dotychczas fale grawitacyjne były traktowane jako sposób na badanie pojedynczych, gwałtownych zdarzeń. Jednak zespół kierowany przez Yunesa i Daniela Holza zaproponował coś znacznie bardziej subtelnego. Zamiast skupiać się wyłącznie na potężnych, wyraźnie słyszalnych „uderzeniach” pochodzących z pobliskich zderzeń, postanowili oni wsłuchać się w stochastyczne tło fal grawitacyjnych – jednostajny szum wypełniający wszechświat, będący echem niezliczonych, odległych zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych.
Metoda „stochastycznej syreny”: Jak działa ten mechanizm?
Innowacyjna metoda, nazwana przez badaczy „stochastyczną syreną”, opiera się na analizie gęstości kolizji w przestrzeni kosmicznej. Naukowcy wyszli z logicznego założenia: jeśli stała Hubble’a ma niską wartość, objętość wszechświata dostępna dla zachodzących kolizji jest mniejsza. To z kolei oznaczałoby większą gęstość zdarzeń na daną jednostkę objętości i w efekcie silniejszy sygnał tła fal grawitacyjnych. Zatem brak wykrycia konkretnego poziomu szumu tła sugeruje wyższą wartość stałej Hubble’a.
Aby metoda ta była w pełni skuteczna, astronomowie muszą łączyć dane z detektorów grawitacyjnych z obserwacjami promieniowania elektromagnetycznego (światła) z galaktyk, w których dochodzi do tych zderzeń. Porównując te dwie wartości, naukowcy mogą sprawdzić, czy współczesny wszechświat zachowuje się zgodnie z przewidywaniami modeli opartych na jego wczesnej fazie. Jeśli techniki te nadal nie będą się zgadzać, będzie to ostateczny dowód na to, że w naszej wiedzy o ewolucji kosmosu brakuje jakiegoś fundamentalnego procesu fizycznego.
Przyszłość kosmologii: Co nas czeka w najbliższych latach?
Obecnie sieć detektorów LIGO-Virgo-KAGRA nie posiada jeszcze czułości niezbędnej do pełnego „usłyszenia” stochastycznego tła, jednak pierwsze testy nowej metody na istniejących danych już teraz dostarczają interesujących wskazówek. Wstępne wyniki sugerują wyższe wartości stałej Hubble’a, co wskazywałoby na szybszą ekspansję wszechświata, zbliżoną do pomiarów opartych na supernowych.
Najbliższe sześć lat będzie przełomowe. Wraz z planowanymi modernizacjami i wzrostem czułości instrumentów, metoda stochastycznej syreny ma szansę stać się standardem w badaniach kosmologicznych. Naukowcy przewidują, że do tego czasu będziemy w stanie nie tylko wykryć tło fal grawitacyjnych, ale także na jego podstawie precyzyjnie wyznaczyć tempo rozszerzania się wszechświata. Rozwiązanie napięcia Hubble’a jest bliżej niż kiedykolwiek, co może doprowadzić do nowej rewolucji w naszym rozumieniu ciemnej energii i samej natury czasu i przestrzeni.
Źródło: Physical Review Letters