W zależności od tego, gdzie patrzymy, wszechświat rozszerza się w różnym tempie. Teraz naukowcy korzystający z teleskopów kosmicznych Jamesa Webba i Hubble’a potwierdzili, że obserwacja ta nie jest wynikiem błędu pomiarowego.
Astronomowie wykorzystali teleskopy kosmiczne Jamesa Webba i Hubble’a, aby potwierdzić jedną z najbardziej niepokojących zagadek w całej fizyce – że wszechświat wydaje się rozszerzać z zaskakująco różnymi prędkościami w zależności od tego, gdzie patrzymy.
Problem ten, znany jako napięcie Hubble’a, może potencjalnie zmienić, a nawet całkowicie zrewolucjonizować kosmologię. W 2019 r. pomiary wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a potwierdziły, że zagadka jest prawdziwa; w 2023 r. jeszcze dokładniejsze pomiary z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) ugruntowały rozbieżność.
Teraz wydaje się, że potrójne sprawdzenie przez oba współpracujące ze sobą teleskopy na dobre położyło kres możliwości wystąpienia jakiegokolwiek błędu pomiarowego. Badanie, opublikowane 6 lutego w Astrophysical Journal Letters, sugeruje, że coś może być nie tak z naszym rozumieniem wszechświata.
“Po wyeliminowaniu błędów pomiarowych pozostaje realna i ekscytująca możliwość, że źle zrozumieliśmy wszechświat” – powiedział w oświadczeniu główny autor badania Adam Riess, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa.
Reiss, Saul Perlmutter i Brian P. Schmidt otrzymali w 2011 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie w 1998 roku ciemnej energii, tajemniczej siły stojącej za przyspieszającą ekspansją wszechświata.
Obecnie istnieją dwie “złote” metody obliczania stałej Hubble’a, wartości opisującej tempo ekspansji wszechświata. Pierwsza z nich polega na przeanalizowaniu drobnych fluktuacji w mikrofalowym promieniowaniu tła (CMB) – starożytnej pozostałości pierwszego światła wszechświata powstałego zaledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.
W latach 2009-2013 astronomowie zmapowali to mikrofalowe rozmycie za pomocą satelity Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, aby określić stałą Hubble’a wynoszącą około 46 200 mil na milion lat świetlnych, czyli około 67 kilometrów na sekundę na megaparsek (km/s/Mpc).
Druga metoda wykorzystuje pulsujące gwiazdy zwane zmiennymi cefeidami. Gwiazdy cefeidalne umierają, a ich zewnętrzne warstwy gazu helowego rosną i kurczą się, pochłaniając i uwalniając promieniowanie gwiazdy, przez co okresowo migoczą jak odległe lampy sygnalizacyjne.
Gdy cefeidy stają się jaśniejsze, pulsują wolniej, co pozwala astronomom zmierzyć ich jasność absolutną. Porównując tę jasność z ich jasnością obserwowaną, astronomowie mogą połączyć cefeidy w “kosmiczną drabinę odległości”, aby zagłębić się w przeszłość Wszechświata. Dzięki tej drabinie, astronomowie mogą znaleźć dokładną wartość ekspansji wszechświata na podstawie tego, jak światło cefeid zostało rozciągnięte lub przesunięte ku czerwieni.
Ale tu właśnie zaczyna się tajemnica. Według pomiarów zmiennej cefeidalnej wykonanych przez Riessa i jego współpracowników, tempo ekspansji wszechświata wynosi około 74 km/s/Mpc: jest to niemożliwie wysoka wartość w porównaniu z pomiarami Plancka. Kosmologia znalazła się na niezbadanym terytorium.
Początkowo niektórzy naukowcy uważali, że rozbieżność może być wynikiem błędu pomiarowego spowodowanego zlewaniem się cefeid z innymi gwiazdami w aperturze Hubble’a. Jednak w 2023 r. naukowcy wykorzystali dokładniejszy JWST, aby potwierdzić, że w przypadku kilku pierwszych “szczebli” kosmicznej drabiny ich pomiary Hubble’a były prawidłowe. Niemniej jednak nadal istniała możliwość zatłoczenia w przeszłości wszechświata.
Aby rozwiązać tę kwestię, Riess i jego koledzy oparli się na wcześniejszych pomiarach, obserwując 1000 kolejnych gwiazd cefeid w pięciu galaktykach macierzystych oddalonych od Ziemi nawet o 130 milionów lat świetlnych. Po porównaniu swoich danych z wynikami Hubble’a, astronomowie potwierdzili swoje wcześniejsze pomiary stałej Hubble’a.
“Objęliśmy teraz cały zakres tego, co zaobserwował Hubble i możemy wykluczyć błąd pomiarowy jako przyczynę napięcia Hubble’a z bardzo dużą pewnością” – powiedział Riess. “Połączenie Webba i Hubble’a daje nam to, co najlepsze z obu wyników. Stwierdzamy, że pomiary Hubble’a pozostają wiarygodne”
