Współczesna kosmologia znalazła się w martwym punkcie, który naukowcy nazywają „napięciem Hubble’a”. Choć wiemy, że wszechświat się rozszerza, dwie główne metody pomiaru tempa tej ekspansji dają sprzeczne wyniki. Teraz fizycy proponują rewolucyjne rozwiązanie: wsłuchanie się w subtelny, zbiorowy „szum” fal grawitacyjnych pochodzących z niezliczonych kolizji czarnych dziur. Ta nowatorska metoda, oparta na zmarszczkach czasoprzestrzeni przewidzianych przez Alberta Einsteina, może nie tylko rozstrzygnąć spór o stałą Hubble’a, ale także wskazać nam drogę ku zupełnie nowej fizyce.
Stała Hubble’a (oznaczana jako H0) to jedna z najważniejszych liczb w nauce. Określa ona tempo, w jakim galaktyki oddalają się od siebie, co z kolei pozwala nam wyliczyć wiek i ostateczny los wszechświata. Problem polega na tym, że im dokładniej mierzymy tę wartość, tym bardziej wyniki do siebie nie pasują. Pomiary oparte na wczesnym wszechświecie – wykorzystujące kosmiczne tło mikrofalowe (CMB), czyli promieniowanie reliktowe pozostałe po Wielkim Wybuchu – sugerują niższą wartość ekspansji. Z kolei obserwacje „późnego” wszechświata, oparte na tzw. świecach standardowych, takich jak supernowe typu Ia czy gwiazdy zmienne (Cefeidy), dają wynik znacznie wyższy.
Rozbieżność ta osiągnęła już poziom 5 sigma. W świecie fizyki jest to „złoty standard” istotności statystycznej, który oznacza, że szansa na to, iż różnica jest dziełem przypadku, wynosi mniej niż jeden na milion. Jak zauważa prof. Chiara Mingarelli z Uniwersytetu Yale, oznacza to, że albo w naszych pomiarach tkwi niezidentyfikowany błąd systematyczny, albo – co znacznie bardziej ekscytujące – nasza dotychczasowa wiedza o prawach fizyki jest niekompletna. W tym kontekście każdy niezależny sposób pomiaru stałej Hubble’a staje się bezcenny dla nauki.
Kosmiczny „szum” milionów zderzeń
Od 2015 roku, dzięki detektorom takim jak LIGO, Virgo oraz KAGRA, ludzkość potrafi rejestrować fale grawitacyjne – potężne drgania samej struktury czasoprzestrzeni wywołane przez katastroficzne zdarzenia, takie jak fuzje czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Do tej pory skupialiśmy się na wyłapywaniu pojedynczych, głośnych sygnałów z konkretnych kolizji. Jednak nowa praca badawcza, która ukaże się w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters, proponuje zgoła inne podejście.
Naukowcy sugerują, że powinniśmy skupić się na tzw. stochastycznym tle fal grawitacyjnych. Jest to swego rodzaju jednostajny, ledwo słyszalny szum, będący nałożeniem się sygnałów z milionów odległych zderzeń, które są zbyt słabe lub zbyt daleko, by można je było wyodrębnić jako pojedyncze zdarzenia. Wyobraźmy sobie to jako gwar rozmów w wypełnionej po brzegi restauracji – nie słyszymy poszczególnych słów każdego gościa, ale ogólne natężenie dźwięku mówi nam wiele o zagęszczeniu ludzi w pomieszczeniu i jego wielkości.
Dlaczego brak sygnału jest informacją?
Kluczem do nowej metody jest zrozumienie zależności między tempem ekspansji wszechświata a głośnością tego grawitacyjnego szumu. Zasadniczo, wolniejsza ekspansja oznacza, że kosmos ma większą objętość w skali historycznej, co przekłada się na większą liczbę galaktyk, a tym samym więcej zderzeń czarnych dziur budujących tło. Im szybsza ekspansja, tym tło powinno być cichsze.
Zespół badawczy, w skład którego wchodzą m.in. Bryce Cousins i Nicolás Yunes z University of Illinois Urbana-Champaign, dokonał czegoś błyskotliwego. Wykazali oni, że nawet jeśli nasze obecne instrumenty nie są jeszcze wystarczająco czułe, by bezpośrednio „usłyszeć” ten szum, sam fakt jego niewykrycia już nakłada istotne ograniczenia na stałą Hubble’a. Skoro nie słyszymy szumu o określonej głośności, możemy wykluczyć pewne niskie wartości tempa ekspansji. To podejście pozwala na stworzenie całkowicie niezależnej drabiny odległości, która nie opiera się na świetle (astronomii elektromagnetycznej), lecz wyłącznie na grawitacji.
Standardowe syreny i przyszłość kosmologii
Nowa metoda, nazwana przez autorów „stochastyczną syreną”, stanowi ewolucję koncepcji standardowych syren. W tradycyjnym ujęciu standardową syreną jest pojedyncze, gwałtowne zderzenie czarnych dziur, którego „jasność” grawitacyjna pozwala bezpośrednio wyliczyć dystans do źródła. Metoda stochastyczna idzie krok dalej, wykorzystując całą populację niewidocznych dla nas obiektów.
Choć obecne wyniki są obarczone pewną niepewnością i zależą od przyjętych modeli populacji czarnych dziur, badacze są optymistami. Planowane modernizacje detektorów LIGO i Virgo oraz budowa nowych instrumentów nowej generacji powinny pozwolić na bezpośrednią detekcję grawitacyjnego tła w ciągu najbliższych kilku lat. Gdy to nastąpi, „szum” czarnych dziur przestanie być jedynie teoretycznym ograniczeniem, a stanie się precyzyjnym narzędziem pomiarowym.
Dlaczego to takie ważne?
Jeśli pomiar za pomocą fal grawitacyjnych potwierdzi dane z wczesnego wszechświata, będziemy musieli szukać błędów w obserwacjach supernowych. Jeśli jednak potwierdzi wyniki z „późnego” wszechświata, będziemy mieli ostateczny dowód, że nasz Model Standardowy kosmologii wymaga gruntownej przebudowy. Być może za kulisami wszechświata działa ciemna energia o zmiennej gęstości lub nieznane nam jeszcze cząstki elementarne, które zmieniają zasady gry. Dzięki grawitacyjnej symfonii czarnych dziur jesteśmy bliżej odpowiedzi na te pytania niż kiedykolwiek wcześniej.