Astronomowie osiągnęli fundamentalny impas w swoim rozumieniu wszechświata: nie mogą się zgodzić co do tego, jak szybko się on rozciąga. I jeśli nie uda się znaleźć rozsądnego wyjaśnienia dla ich rozbieżnych szacunków, mogą być zmuszeni do całkowitego przemyślenia swoich koncepcji czasu i przestrzeni. Wielu uważa, że tylko nowa fizyka może wyjaśnić kosmiczną zagadkę, którą odkryli.
„Pięć lat temu nikt w kosmologii nie przejmował się pytaniem, jak szybko rozszerza się wszechświat. Uznaliśmy to za pewnik” – mówi astrofizyk Daniel Mortlock z Imperial College London. „Teraz musimy się sporo natrudzić – i przeprowadzić wiele badań.”
Ten pogląd popiera amerykański astrofizyk i laureat nagrody Nobla Adam Riess z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. „Myślę, że ta kwestia stała się wielkim problemem. Coraz lepiej rozumiemy wszechświat, a jednak im bliżej mu się przyglądamy, tym bardziej odkrywamy, że są w nim te wszystkie tajemnicze składniki.”
W ciągu ostatnich dziesięcioleci te niespodzianki obejmowały odkrycie ciemnej materii – uważa się, że składa się ona z niewykrytych jeszcze cząstek – której dodatkowe przyciąganie grawitacyjne wyjaśnia, dlaczego galaktyki nie rozlatują się. Ponadto astronomowie odkryli również istnienie ciemnej energii, która przyspiesza tempo rozszerzania się kosmosu.
„Te dwa odkrycia były już wystarczająco niezwykłe” – dodaje Riess, który otrzymał Nagrodę Nobla za swój udział w odkryciu ciemnej energii. „Ale teraz stoimy przed faktem, że może istnieć trzecie zjawisko, które przeoczyliśmy – choć tak naprawdę nie mamy jeszcze pojęcia, co to może być.”
Naukowcy po raz pierwszy zdali sobie sprawę, że wszechświat się rozszerza w latach 20. ubiegłego wieku, kiedy amerykański astronom Edwin Hubble odkrył, że im większa odległość między dwiema galaktykami, tym szybciej się od siebie oddalają. Pozostaje to jednym z najważniejszych odkryć naukowych, jakie kiedykolwiek dokonano.
Jednym ze sposobów myślenia o tym zjawisku jest wyobrażenie sobie bochenka z owocami, który jest pieczony w piekarniku. Gdy ciasto rośnie i rozszerza się, rodzynki i sułtanki znajdujące się wewnątrz bochenka oddalają się od siebie. Wszechświat jest jak ten bochenek z owocami. Rozszerza się i powoduje, że galaktyki – rodzynki i sułtanki w nim osadzone – oddalają się od siebie.
Ale jeśli wszechświat staje się coraz większy i większy, pozostaje jedno kluczowe pytanie: jakie jest dokładne tempo tej ekspansji? Jak szybko kosmos się rozpada? Albo mówiąc dokładniej: jaka jest dokładna wartość stałej Hubble’a, jak później nazwano prędkość rozszerzania się wszechświata? Jest to bardzo ważna i poszukiwana wartość, ponieważ powie nam ona bardzo wiele o pochodzeniu, wieku, ewolucji i ostatecznie o losach kosmosu. Stąd wysiłek, jaki astronomowie włożyli w ciągu ostatniego stulecia w znalezienie precyzyjnej odpowiedzi na to pytanie.
Obserwacje te opierały się jednak na dwóch bardzo różnych podejściach. Jedno z nich koncentrowało się na zachowaniu galaktyk znajdujących się w pobliżu naszej własnej galaktyki, Drogi Mlecznej, i polegało na tym, że naukowcy z coraz większą precyzją ustalali, jak szybko oddalają się one od siebie. „To podejście lokalne” – mówi Riess, który w swojej pracy skupił się na próbach udoskonalenia pomiarów odległości między galaktykami w naszym regionie Wszechświata. (Zobacz „Stała Hubble’a i Henrietta Leavitt”, poniżej.)
Inna metoda ustalania stałej Hubble’a polegała na tym, że astronomowie przyglądali się falującemu wzorcowi światła, zwanemu kosmicznym mikrofalowym tłem, który uformował się tuż po narodzinach kosmosu w wyniku wielkiego wybuchu 13,8 mld lat temu. Obserwacje te pozwoliły naukowcom na stworzenie modelu, który uwzględnia ciemną energię i ciemną materię oraz pokazuje, w jaki sposób rozwój wczesnego Wszechświata prawdopodobnie doprowadziłby do ekspansji, którą astronomowie mogą dziś mierzyć.
Do niedawna te dwa różne podejścia dawały szacunkowe wyniki, które wydawały się być ze sobą spójne, chociaż istniały znaczne niepewności związane z obydwoma pomiarami. „Wszyscy zakładali, że różnica między tymi dwoma szacunkami wynikała z przypadku i że te dwie wartości będą się zbiegać w miarę wykonywania coraz większej ilości pomiarów” – mówi Mortlock. Innymi słowy, w miarę jak te dwie wartości będą testowane z coraz większą precyzją, ich różnice będą zanikać.
Niestety dla astronomów szukających prostego rozwiązania problemu, tak się nie stało. „W rzeczywistości stało się wręcz przeciwnie” – mówi Mortlock, który również pracuje na Uniwersytecie Sztokholmskim. „Rozbieżność stała się silniejsza. Oszacowanie stałej Hubble’a, które miało niższą wartość, z biegiem lat stało się nieco niższe, a to, które było nieco wyższe, stało się jeszcze większe.”
Dzisiaj osoby korzystające z danych Plancka i kosmicznego tła w celu uzyskania wartości stałej Hubble’a otrzymują liczbę 67,4 plus minus 0,5. Z kolei podejście lokalne daje wartość 73,5 plus minus 1,4. Wartości te reprezentują dwie ró „ne wartości, jakie mamy dla ekspansji wszechświata. (Zobacz „Kwestia metryki”, poniżej.)
Podobieństwo może nie brzmieć wspaniale, ale jest znaczące. Mówią, że jest teraz mniej niż jeden na 100 000 szans, że ta różnica może być rozliczana przez przypadek. „To nie są tylko dwa eksperymenty, które się nie zgadzają”, mówi Riess. „Mierzymy coś zasadniczo odmiennego. Jeden z nich mierzy jak szybko rozszerza się wszechświat, tak jak my to widzimy. Drugi jest przewidywaniem opartym na fizyce wczesnego wszechświata i na pomiarach tego, jak szybko powinien się on rozszerzać. Pomiary te zostały niezależnie potwierdzone przez inne grupy, tak więc rozbieżność nie zależy od jednego narzędzia czy zespołu.
„A jeśli te wartości się nie zgadzają, oznacza to, że istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, że brakuje nam czynnika w modelu kosmologicznym, który łączy te dwie epoki.” W skrócie, coś wydaje się być nieobecne w naszym zrozumieniu wszechświata, a stała Hubble’a stała się przedmiotem gorącej bitwy o odkrycie natury tego niewidzialnego wpływu.
Na początek, różnica pomiędzy dwoma wartościami ma implikacje dla wieku wszechświata, skracając więcej niż miliard lat jego istnienia w jednym przypadku. „Zmiana stałej Hubble’a z 67,4 na 73,5 oznaczałaby, że musiał on rozlecieć się szybciej niż wcześniej przypuszczano, a więc musi być młodszy niż jego obecnie akceptowany wiek 13,8 mld lat” – mówi Mortlock. „W rzeczywistości oznacza to 12,7 mld lat.”
I to powoduje problemy. We wszechświecie jest kilka bardzo starych gwiazd, których wiek szacuje się na około 12 miliardów lat, a to sprawia, że przewartościowana chronologia kosmiczna jest nieco trudna do przełknięcia. Gwiazdy potrzebują dużo czasu, aby się uformować.
Jednakże nie to jest prawdziwym problemem, mówi Mortlock. „Podstawowy problem polega na tym, że posiadanie dwóch różnych wartości stałej Hubble’a mierzonych z różnych perspektyw po prostu unieważniłoby model kosmologiczny, który stworzyliśmy dla wszechświata. Nie bylibyśmy więc w stanie powiedzieć, jaki jest wiek wszechświata, dopóki nie poprawilibyśmy naszej fizyki.”
Z powodu niezależnych potwierdzeń, Riess stał się bardziej pewny, że musi istnieć fundamentalna rozbieżność, taka, która nie wynika z wad metodologicznych lub błędów w obserwacjach, ale spowodowana jest cechą naszego wszechświata, o której naukowcy nie mieli wcześniej pojęcia. „Myślę, że dzieje się coś interesującego” – mówi. „A ja nie uważam błędów pomiarowych za interesujące.”
Ale jeśli błąd pomiarowy nie może być już uznawany za przyczynę różnic w wartościach stałej Hubble’a, to jakie nowe koncepcje mogłyby wyjaśnić tę rozbieżność? Astronomowie wysunęli już kilka propozycji.
Jedna z nich zakłada, że wszechświat zawiera nową klasę cząstek subatomowych, które poruszają się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Jednostki te nazywane są ciemnym promieniowaniem i mogą zawierać również znane już cząstki, takie jak neutrina. Miałyby one wpływ na prędkość rozszerzania się wszechświata.
Inny pomysł to specjalny, intensywny epizod ciemnej energii niedługo po Wielkim Wybuchu, który rozszerzył wszechświat szybciej niż astronomowie wcześniej oceniali.
I wreszcie istnieje możliwość, że cząstki tworzące ciemną materię oddziałują z normalną materią silniej niż wcześniej zakładano. Nie wszyscy naukowcy są zachwyceni perspektywą, że jedna z tych propozycji jest odpowiedzią na ich dylemat pomiarowy i wciąż mają nadzieję, że w końcu może uda się pogodzić dwie wartości, które otrzymują dla stałej Hubble’a. Ten punkt jest podkreślany przez Mortlocka. „Stwierdziliśmy już, że nasz wszechświat jest zdominowany przez ciemną materię i ciemną energię, których efekty możemy obserwować, ale których podstawowa natura jest tajemnicą. Są to dwa ogromne znaki zapytania, które już wiszą nad naszym rozumieniem kosmosu. Osobiście nie czuję potrzeby istnienia trzeciego.”
Ze swojej strony Riess przyjmuje nieco bardziej optymistyczny pogląd. „Nie jesteśmy stworzeni z ciemnej materii czy ciemnej energii, ale odkryliśmy ich istnienie, mimo że intuicyjnie nie są one częścią naszego doświadczenia życia na Ziemi. To sugeruje, że zmierzamy we właściwym kierunku w zrozumieniu wszechświata – choć może się okazać, że mamy jeszcze co najmniej jeden krok do zrobienia.”
Stała Hubble’a i Henrietta Leavitt
Gwiazdy znane jako zmienne cefeidalne odegrały krytyczną rolę w naszym zrozumieniu ekspansji wszechświata. Gwiazdy te, które są stosunkowo powszechne, różnią się jasnością w okresach dni lub tygodni. W 1908 roku Henrietta Leavitt odkryła, że istnieje związek pomiędzy jasnością gwiazdy zmiennej Cefeusza a czasem potrzebnym na przejście pełnego cyklu zmian jej jasności.
W rezultacie, mierząc okres zmiennej Cefeusza, można było obliczyć jej prawdziwą jasność. Następnie, porównując ją z jasnością pozorną, astronomowie mogli obliczyć odległość gwiazdy – oraz galaktyki, w której się znajduje. Hubble wykorzystał to zrozumienie w swojej pracy do kalibracji odległości kosmologicznych, a dziś cefeidy nadal stanowią kluczową kalibrację odległości astronomicznych dla lokalnej metody obliczania stałej Hubble’a.
Kwestia metryki
Stała Hubble’a równa 70 oznaczałaby, że wszechświat rozszerza się w tempie 70 kilometrów na sekundę na megaparsek. Aby zrozumieć, co to oznacza, musisz najpierw zrozumieć, że parsek jest miarą odległości astronomicznej, a megaparsek jest odpowiednikiem miliona parseków. Z kolei na jeden parsek przypada 3,3 roku świetlnego, więc megaparsek jest odpowiednikiem 3,3 mln lat świetlnych. Tak więc na każde 3,3 mln lat świetlnych, które galaktyka jest od nas oddalona, będzie się ona poruszać o dodatkowe 70 kilometrów (43,5 mil) na sekundę szybciej od nas, w wyniku rozszerzania się wszechświata.
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragraphs}}{{highlightedText}}
- Share on Facebook
- Share on Twitter
- Share via Email
- Share on LinkedIn
- Share on Pinterest
- Share on WhatsApp
- Share on Messenger
.