Wszechświat wcale nie przyspiesza? Nowe obliczenia stałej Hubble'a

Zespół astronomów, którego trzon stanowili badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, przedstawił dowody na to, że Wszechświat rozszerza się inaczej, znacznie gwałtowniej, niż dotąd zakładano. Obliczenia astronomów były możliwe między innymi dzięki zastosowaniu technologii optyki adaptatywnej.

27.10.2019Opublikował: RK

Od czasu Wielkiego Wybuchu wszechświat nieustająco się rozszerza. Obliczenie tego, z jaką prędkością galaktyki uciekają od siebie jest wielkim wyzwaniem dla astronomii i kosmologii. Kluczowym pojęciem dla tego zagadnienia jest Stała Hubble’a, która określa tempo rozszerzania się Wszechświata. Założenie o tym, że jest to stała, a więc liczba pozostająca identyczna niezależnie od okoliczności, jest przekonaniem bardzo mocnym – sformułowanym w postaci prawa Hubble’a – ale już ustalenie tej stałej w kolejnych badaniach prowadzi do różnych wyników.

Jednostką obliczenia jest tu kilometr na sekundę na megaparsek: (km/s)/Mpsc, co w skrócie oznacza, że na 1 Mpsc, czyli na każde 3,3 miliona lat świetlnych odległości danej galaktyki od punktu obserwacyjnego, galaktyka wydaje się poruszać szybciej o daną prędkość stałą (H₀).

Początkowo zakładano, że ustała oscyluje wokół poziomu 500 (km/s)/Mpsc, ale odkąd teleskop Hubble’a został włączony do tych badań, wyniki znacznie spadły i zbliżyły się do siebie. Pierwsze wielkie badanie z 2009 roku oparte na obserwacji supernowych dało wynik 74,2 +/- 3,6 (km/s)/Mpsc, natomiast w wyniku misji kosmicznej Planck ustalono stałą Hubble’a na poziomie 67,8 +/- 0,9 (km/s)/Mpc. Najnowsze badania, opublikowane w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”, których głównym autorem jest Geoff Chen, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis (UC Davis), podnoszą ten wynik do poziomu H₀ = 76,8 +/- 2,6 (km/s)/Mpc.

Trudność z ustaleniu stałej wynika między innymi z tego, że każda z galaktyk porusza się w indywidualny sposób, z własną prędkością i kierunkiem, nie mającymi nic w wspólnego ze stałą Hubble’a. Ponadto kosmolodzy analizujący dane muszą wziąć pod uwagę wiele zakłóceń pomiarów, wynikających z narzędzi badawczych, czy z szumów takich jak drganie atmosfery.

Najnowsze badania zespołu pracującego z Geoffem Chenem niwelują kilka z tych wątpliwości. Przede wszystkim w tych pracach po raz pierwszy przy obliczaniu stałej Hubble’a posłużono się optyką adaptatywną (AO, adaptive optic) stosowaną w teleskopie Keck II (obserwatorium na Mauna Kea na Hawajach). Jest to technika optyczna, którą stosuje się w celu wyeliminowania z pomiaru zaburzeń związanych z drganiem atmosfery, które podczas obserwacji wywołuje efekt zwany scyntylacją, czyli mruganiem lub migotaniem gwiazd. Technika polega na tym, że sterowanie teleskopem oddaje się komputerowi, który za pomocą specjalnego deformowalnego lustra koryguje obraz w oparciu o sygnał pochodzący z wybranej, nieodległej gwiazdy.

„Kryzys kosmologiczny”

Z badania, oprócz kolejnej próby ustalenia stałej Hubble’a, wyniknął jeszcze jeden interesujący wniosek, który można uznać za kolejny argument za tym, że standardowy model kosmologiczny nie opisuje rozwoju Wszechświata wystarczająco dobrze. Zakłada on, że w momencie Wielkiego Wybuchu nastąpiło potężne przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata, potem grawitacja spowodowała jego spowolnienie, ale w kolejnym etapie, trwającym obecnie, za sprawą oddziaływania ciemnej energii, znów obserwujemy przyspieszenie rozszerzania się (za to odkrycie przyznano nagrodę Nobla w 2011 roku).

Wynik podany w najnowszej publikacji jest uśrednionym wynikiem z czterech obserwacji, przeprowadzonych na obiektach znacznie odleglejszych od Ziemi niż te, które były podstawą wcześniejszych badań. A jeśli tak, to jego podwyższony wobec dotychczasowego poziom świadczy o czymś zupełnie przeciwnym niż twierdzenie o przyspieszaniu rozszerzenia. Skoro obiekty obserwowane z większej odległości – a więc tak naprawdę obserwacje starszych zjawisk, których światło dociera do nas po większej ilości czasu – wykazują się większą prędkością oddalania, to można by z tego wnioskować, że Wszechświat nie rozszerza się teraz szybciej, ale wolniej.

– Mamy do czynienia z kryzysem w kosmologii – sugeruje prof. Chris Fassnacht, współautor ba dań, fizyki z UC Davis zajmujący się tym zagadnieniem od lat. – O ile Stała Hubble’a jest rzeczywiście stała wszędzie w przestrzeni, to wydaje się nie być stała w czasie.

Źródła:

artykuł źródłowy: Geoff C-F Chen et al.: A SHARP view of H0LiCOW: H0 from three time-delay gravitational lens systems with adaptive optics imaging. "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society", Volume 490, Issue 2, December 2019, Pages 1743–1773, DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stz2547

artykuł A crisis in cosmology: New data suggests the universe expanding more rapidly than believed opublikowany na portalu Phys.org (dostarczony przez W. M. KeckObsercatory).

artykuł: Różnice w pomiarach stałej Hubble’a nie są przypadkiem opublikowany na stronie news.astronet.pl