
Kosmiczna zagadka, znana jako napięcie Hubble’a, od lat spędza sen z powiek astronomom.
Najnowsze doniesienia z Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego (Royal Astronomical Society) rzucają nowe światło na ten problem, sugerując, iż nasza galaktyka, Droga Mleczna, może znajdować się wewnątrz tajemniczej, olbrzymiej pustki, która sprawia, iż kosmos rozszerza się tu szybciej niż w innych rejonach.
Zacznijmy od podstaw. W 1929 r. Edwin Hubble, na którego cześć nazwano słynny teleskop kosmiczny, jako pierwszy zaproponował stałą Hubble’a, wartość określającą tempo rozszerzania się Wszechświata.
Można ją zmierzyć np. obserwując odległość od obiektów kosmicznych i to, jak gwałtownie oddalają się od nas (przesunięcie ku czerwieni). Tak naprawdę nie wiemy jednak, co powoduje ciągłą ekspansję kosmosu. Zakładamy, iż jest to coś, co nazywamy ciemną energią.
Jakby tego było mało nie jesteśmy także w stanie określić dokładnego tempa, w jakim zachodzi. Tym, co spędza sen z powiek astronomom jest to, iż różne sposoby jej pomiaru dają różne wyniki.
Pierwsza metoda pomiarów tempa rozszerzania się Wszechświata wskazuje na tempo ekspansji wynoszące około 67 kilometrów na sekundę na megaparsek. Druga, około 73 kilometrów na sekundę na megaparsek. Rozbieżność między tymi dwoma wartościami znana jest jako napięcie Hubble’a.
Napięcie Hubble’a jest to więc termin używany w kosmologii do opisania rozbieżności w oszacowaniach tempa ekspansji Wszechświata, czyli wartości stałej Hubble’a.
Możemy tkwić w gigantycznej kosmicznej dziurze
Potencjalnym rozwiązaniem tej niespójności jest to, iż nasza galaktyka znajduje się blisko centrum dużej, lokalnej pustki – wyjaśnia dr Indranil Banik z University of Portsmouth.
Jego zdaniem cała zagadka może wynikać z faktu, iż znajdujemy się w gigantycznym bąblu, obszarze o promieniu około miliarda lat świetlnych, w którym gęstość materii jest choćby 20 proc. niższa niż średnia dla całego Wszechświata.
Spowodowałoby to, iż materia byłaby przyciągana przez grawitację w stronę gęstszej zewnętrznej części bąbla, co z czasem prowadziłoby do tego, iż nasz obszar stawałaby się coraz bardziej pusty. W miarę jak rzadszy obszar się opróżnia, prędkość obiektów oddalających się od nas byłaby większa niż gdyby bąbla nie było. Daje to zatem wrażenie szybszego tempa lokalnej ekspansji – mówi dr Indranil Banik.
Galaktyki, które przestały rodzić gwiazdy, też mają coś do powiedzenia
Bezpośrednie liczenie galaktyk potwierdza tę hipotezę, ponieważ gęstość galaktyk w naszym lokalnym wszechświecie jest niższa niż w sąsiednich regionach.
Istnienie tak dużej i głębokiej pustki jest jednak kontrowersyjne, ponieważ nie do końca pokrywa się ze standardowym modelem kosmologicznym, który sugeruje, iż na tak dużej skali materia powinna być rozłożona bardziej równomiernie.
Kolejnym krokiem będzie porównanie modelu pustki z innymi metodami pomiaru ekspansji. Jedną z nich są tzw. kosmiczne chronometry, galaktyki, które już dawno przestały formować nowe gwiazdy. Dzięki analizie ich widma można ustalić ich wiek, a przez porównanie z przesunięciem ku czerwieni, czyli tym, jak bardzo światło galaktyki się „rozciągnęło” w drodze do nas, da się odtworzyć historię rozszerzania się kosmosu.
To niezależny sposób na weryfikację, czy ekspansja rzeczywiście była lokalnie szybsza, a jeżeli tak, teoria pustki zyska jeszcze więcej wiarygodności.
Echo z początków Wszechświata
Najciekawsze jest jednak to, iż dane obserwacyjne już zaczynają potwierdzać tę kontrowersyjną koncepcję. najważniejsze są tu tzw. oscylacje akustyczne barionów (BAO), które są niczym echo z początków Wszechświata. Chodzi tu o wahania w gęstości barionów obserwowane w widocznym Wszechświecie. Wahania te mają charakter fal.
To właśnie te fale stanowią coś w rodzaju kosmicznej linijki, dzięki której naukowcy są w stanie mierzyć tempo ekspansji w różnych epokach istnienia Wszechświata.
Biorąc pod uwagę wszystkie dostępne pomiary BAO z ostatnich 20 lat, wykazaliśmy, iż model pustki jest około sto milionów razy bardziej prawdopodobny niż model bez pustki – zaznacza dr Banik.
Więcej na Spider’s Web:
Napięcie Hubble’a, czyli dlaczego Wszechświat nie chce się dogadać
Napięcie Hubble’a to jedna z najbardziej intrygujących zagadek współczesnej kosmologii, polegająca na fundamentalnej niezgodności w tempie rozszerzania się Wszechświata. Problem ten pojawia się, gdy astronomowie próbują zmierzyć wartość stałej Hubble’a, liczby opisującej, jak gwałtownie kosmos się rozszerza, dwiema różnymi, ale równie precyzyjnymi metodami.
Z jednej strony, pomiary oparte na obserwacjach wczesnego Wszechświata, takich jak kosmiczne mikrofalowe tło (CMB), czyli pozostałości po Wielkim Wybuchu, sugerują wolniejsze tempo ekspansji, zgodne ze standardowym modelem kosmologicznym (model Lambda-CDM).
Z drugiej strony, bezpośrednie pomiary lokalnego Wszechświata, wykorzystujące supernowe typu Ia (tzw. standardowe świece) oraz inne obiekty, wskazują na znacznie szybsze tempo rozszerzania się. To właśnie ta rozbieżność, niczym dwie niezależne miary tej samej odległości, które dają różne wyniki, jest źródłem „napięcia”.
Rozbieżność ta nie jest jedynie drobnym błędem pomiarowym, ale znaczącą różnicą, która wynosi około 9 proc. Pomiary z wczesnego Wszechświata, oparte na danych z misji Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, podają wartość stałej Hubble’a w okolicach 67-68 km/s/Mpc (kilometrów na sekundę na megaparsek). Oznacza to, iż galaktyka oddalona o jeden megaparsek (około 3,26 mln lat świetlnych) oddala się od nas z prędkością 67-68 kilometrów na sekundę.
Tymczasem pomiary z lokalnego Wszechświata, wykonane m.in. przez projekt SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), wykorzystujący Teleskop Kosmiczny Hubble’a, konsekwentnie wskazują na wartość bliższą 73-74 km/s/Mpc.
Drzwi, za którymi jest nowy rozdział nauki
Ta trwała niezgodność, potwierdzana przez wiele niezależnych zespołów i metod, sprawia, iż astronomowie stają przed pytaniem: czy nasz obecny model Wszechświata jest niekompletny, czy też kryje się za tym jakaś nowa, nieodkryta fizyka?
Ta różnica jest niezwykle istotna, ponieważ stała Hubble’a jest kluczowym parametrem, który określa wiek i historię ekspansji całego Wszechświata. jeżeli nasze pomiary tempa rozszerzania się są fundamentalnie błędne lub niedokładne, to podważa to naszą zdolność do precyzyjnego określenia wieku Wszechświata (szacowanego w tej chwili na około 13,8 mld lat) oraz zrozumienia jego ewolucji.
Dla naukowców jest to sytuacja nie do przyjęcia, ponieważ podważa podstawy naszego zrozumienia kosmosu. Napięcie Hubble’a zmusza ich do poszukiwania radykalnych rozwiązań, od modyfikacji standardowego modelu kosmologicznego, przez istnienie nowych cząstek lub pól, po właśnie takie lokalne wyjaśnienia, jak hipoteza gigantycznej pustki, w której się znajdujemy. Rozwiązanie tej zagadki może otworzyć drzwi do zupełnie nowego rozdziału w fizyce i kosmologii.