Nowe dane sugerują, że fundamentalną niezgodność w pomiarach tempa ekspansji Wszechświata można wyjaśnić.
Naukowcy wiedzą, że wszechświat się rozszerza, ale od dekady nie zgadzają się co do tego, jak szybko zachodzi ten proces. Dane, które wykorzystują kosmiczne mikrofalowe tło (CMB), światło pozostałe po Wielkim Wybuchu, sugerują, że wartość stałej Hubble’a, która mierzy tę ekspansję, powinna wynosić około 46 200 mil na godzinę na milion lat świetlnych, czyli 67,4 km. na sekundę na megaparsek w jednostkach kosmologów. (Migparsek to 3,26 miliona lat świetlnych.)
Jednak teleskopy wyszkolone na gwiazdach w pobliskim wszechświecie zamiast tego uzyskały stały pomiar Hubble’a wynoszący 50 400 mil na godzinę na milion lat świetlnych (73,4 km/s/Mpc). Te dwie liczby nie różnią się aż tak bardzo, ale każda jest dość precyzyjna i nie da się ich ze sobą pogodzić.
Napięcie między tymi dwiema liczbami jest dla naukowców nieustannym bólem głowy, a niektórzy przywołują pogląd, że rozbieżność wymaga od nich obalenia ich ulubionego modelu wszechświata, co wyjaśnia, w jaki sposób gigantyczne struktury kosmiczne, takie jak gromady galaktyczne, powstały i ewoluowały od zarania czasu. Być może, zastanawiali się naukowcy, nowa fizyka wykraczająca poza to, co obecnie wiemy, może zostać wykorzystana do wypełnienia luki.
„Myślę, że to naprawdę interesujące pytanie: »Czy istnieje nowa fizyka poza standardowym modelem kosmologicznym?«” – powiedziała Wendy Freedman, kosmolog z University of Chicago.
Freedman spędziła większość swojej kariery obserwując tak zwane gwiazdy zmienne cefeidy. Te gwiazdy, które pulsują regularnie, mają związek między okresem wahań ich światła a ich wewnętrzną jasnością, czyli jak jasne byłyby, gdybyśmy stali tuż obok nich. Znając tę wewnętrzną jasność i jasność cefeidy widzianej z Ziemi, astronomowie mogą obliczyć jej odległość od nas, a następnie zmierzyć prędkość, z jaką wszechświat rozszerza się w tym punkcie przestrzeni.
Dane z cefeid są jednym z filarów wyższej wartości stałej Hubble’a, ale Freedman i jej współpracownicy zawsze zastanawiali się, czy nie popełniają systematycznych błędów w swoich obserwacjach. Od dawna poszukiwali niezależnych metod potwierdzania lub kwestionowania swoich wyników.
Kilka lat temu ona i jej koledzy znaleźli jedną metodę w świetle gigantycznych czerwonych gwiazd. Obiekty te, które reprezentują późniejszy etap życia gwiazd o masie podobnej do naszego Słońca, osiągają określony szczyt jasności w pewnym momencie swojej ewolucji. Podobnie jak w przypadku cefeid, astronomowie mogą przyjrzeć się, jak słabe wydają się one z Ziemi, aby uzyskać dobre oszacowanie ich odległości.
W 2019 roku Freedman i jej zespół podali liczbę dla stałej Hubble’a, która znajdowała się pomiędzy dwoma innymi pomiarami: 47 300 mil na godzinę na milion lat świetlnych (69,8 km/s/Mpc). Ten wynik został skalibrowany przy użyciu gigantycznych czerwonych gwiazd w Wielkim Obłoku Magellana, galaktyce karłowatej krążącej wokół Drogi Mlecznej, której odległość od nas jest stosunkowo dobrze określona.
Od tego czasu naukowcy dodali więcej punktów danych, kalibrując odległość do gigantycznych czerwonych gwiazd w trzech innych galaktykach i regionach kosmosu, co zwiększa precyzję ich stałych pomiarów Hubble’a. Te odkrycia, które wykazały w zasadzie te same średnie szacunki, pojawiły się w artykule opublikowanym 29 czerwca w bazie danych preprintów arXiv, który został zaakceptowany do publikacji w Astrophysical Journal.
„Ląduje w tym samym miejscu, nieco poniżej 70 [km/s/Mpc] z niepewnością nieco ponad 2%” – powiedziała Freedman o nowym oszacowaniu stałej Hubble’a z czerwonych olbrzymów. „Jeśli porównamy te wyniki z CMB, nie powiedzielibyśmy, że jest problem”.
Te ostatnie pomiary czerwonych olbrzymów wskazują na możliwość systematycznych błędów w obserwacjach cefeid, powiedziała Freedman. Dodała, że zasłanianie pyłu i światła tła we wszechświecie to jedne z możliwych winowajców, choć odkrycie, czy tak jest, zajmie trochę czasu.
„Jestem pod wrażeniem pracy i szczegółów” – powiedział Simon Birrer, kosmolog z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii, który nie był zaangażowany w badania. Artykuł naprawdę podkreśla szczególne zalety obserwacji czerwonych olbrzymów – dodał.
Ale Birrer, który był częścią zespołu, który przyglądał się, jak masywne galaktyki zakrzywiają światło, aby zapewnić kolejny niezależny stały pomiar Hubble’a, nie sądzi, że saga jeszcze się skończyła. „Czy to początek końca napięcia? Nadal nad tym pracujemy” – powiedział.
Astronomowie przedstawili teraz wiele różnych szacunków ekspansji wszechświata, z których część się zgadza, a część nie. Każdy zespół dąży do jak największej dokładności, jaką może zapewnić, powiedział Birrer, a ustalenie, które może zawierać ostateczną odpowiedź, jest nadal niejasne.
Freedman zgodziła się, mówiąc, że ona i jej koledzy zostali niedawno zatwierdzeni do użycia nadchodzącego Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do obserwacji zarówno cefeid, jak i czerwonych olbrzymów. Obserwacje te powinny pomóc wyjaśnić niektóre z pozostałych systematycznych niepewności i miejmy nadzieję zbliżyć się do prawdziwej wartości stałej Hubble’a.
