Badanie ekspansji Wszechświata potwierdza wyzwanie dla teorii kosmicznej

Zdjęcie: Level1studio

Nowe dane potwierdzają pomiary Teleskopu Hubble’a dotyczące odległości między pobliskimi gwiazdami i galaktykami, stanowiąc kluczowy punkt odniesienia do rozwiązania rozbieżności w pomiarach ekspansji Wszechświata. Znana jako napięcie Hubble’a (ang. Hubble tension), rozbieżność ta pozostaje niewyjaśniona nawet przez najlepsze modele kosmologiczne. „Różnica między zaobserwowanym tempem ekspansji Wszechświata a przewidywaniami standardowego modelu sugeruje, że nasza wiedza o Wszechświecie może być niekompletna. Dzięki dwóm flagowym teleskopom NASA, które teraz wzajemnie potwierdzają swoje wyniki, musimy traktować ten problem bardzo poważnie — to wyzwanie, ale także niesamowita okazja, aby dowiedzieć się więcej o Wszechświecie”, powiedział laureat Nagrody Nobla i główny autor badania Adam Riess, Bloomberg Distinguished Professor oraz profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa.

Opublikowane w The Astrophysical Journal badanie bazuje na nagrodzonym Noblem odkryciu Riessa, że ekspansja Wszechświata przyspiesza z powodu tajemniczej „ciemnej energii”, która przenika rozległe przestrzenie między gwiazdami i galaktykami.

Zespół Riessa wykorzystał największy zestaw danych z Teleskopu Webba zgromadzony w ciągu jego pierwszych dwóch lat działania, aby zweryfikować pomiary Hubble’a dotyczące tempa ekspansji Wszechświata, znanego jako stała Hubble’a. Zastosowali trzy różne metody pomiaru odległości do galaktyk, skupiając się na odległościach wcześniej zbadanych przez Hubble’a, które są znane jako najdokładniejsze lokalne pomiary tego parametru. Obserwacje z obu teleskopów były zgodne, co potwierdziło dokładność pomiarów Hubble’a i wykluczyło wystarczająco duże błędy, aby przypisać napięcie do pomyłki Hubble’a.

Stała Hubble’a pozostaje jednak zagadką, ponieważ pomiary bazujące na obserwacjach teleskopowych współczesnego Wszechświata dają wyższe wartości w porównaniu do przewidywań standardowego modelu kosmologicznego, szeroko akceptowanego “szkieletu” działania Wszechświata, który jest skalibrowany na podstawie danych o mikrofalowym promieniowaniu tła — słabym promieniowaniu pozostałym po Wielkim Wybuchu. Standardowy model przewiduje stałą Hubble’a na poziomie około 67–68 km/s/Mpc, podczas gdy pomiary teleskopowe regularnie dają wyższe wartości od 70 do 76, ze średnią 73 km/s/Mpc. Ta różnica o wartości 5–6 km/s/Mpc zaskakuje kosmologów od ponad dekady, ponieważ jest zbyt duża, aby można ją było wyjaśnić błędami w technikach pomiarowych.

Ponieważ nowe dane Webba wykluczają istotne uprzedzenia w pomiarach Hubble’a, napięcie Hubble’a może wynikać z nieznanych czynników lub luk w zrozumieniu fizyki przez kosmologów, które jeszcze czekają na odkrycie, stwierdza zespół Riessa. „Dane z Webba to jak patrzenie na Wszechświat w wysokiej rozdzielczości po raz pierwszy, co znacznie poprawia stosunek sygnału do szumu w pomiarach”, powiedział Siyang Li, doktorant z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa pracujący nad badaniem.

Nowe badanie objęło około jednej, trzeciej, pełnej próbki galaktyk Hubble’a, używając znanej odległości do galaktyki NGC 4258 jako punktu odniesienia. Pomimo mniejszego zbioru danych zespół osiągnął imponującą precyzję, wykazując różnice w pomiarach poniżej 2% — znacznie mniejsze, niż około 8–9% wielkości rozbieżności napięcia Hubble’a.
Oprócz analizy pulsujących gwiazd zwanych zmiennymi cefeidami, które są złotym standardem pomiaru odległości kosmicznych, zespół sprawdził pomiary oparte na bogatych w węgiel gwiazdach i najjaśniejszych czerwonych olbrzymach w tych samych galaktykach. Wszystkie galaktyki obserwowane przez Webba, wraz z ich supernowymi, dały stałą Hubble’a na poziomie 72,6 km/s/Mpc, niemal identyczną z wartością 72,8 km/s/Mpc uzyskaną przez Hubble’a dla tych samych galaktyk. Badanie uwzględniało próbki danych Webba od dwóch grup pracujących niezależnie nad doprecyzowaniem stałej Hubble’a: zespołu SH0ES (Supernova, H0, dla równania stanu ciemnej energii) Reissa oraz programu Carnegie-Chicago Hubble, a także innych zespołów.
Pomimo że stała Hubble’a nie ma praktycznego wpływu na Układ Słoneczny, Ziemię czy codzienne życie, ujawnia ewolucję Wszechświata na ogromną skalę, z rozległymi obszarami przestrzeni rozciągającymi się i odpychającymi od siebie odległe galaktyki jak rodzynki w rosnącym cieście. Jest to kluczowa wartość, której naukowcy używają do mapowania struktury Wszechświata, pogłębiania wiedzy o jego stanie 13–14 miliardów lat po Wielkim Wybuchu oraz obliczania innych fundamentalnych aspektów kosmosu.
Rozwiązanie napięcia Hubble’a mogłoby ujawnić nowe spostrzeżenia dotyczące innych rozbieżności ze standardowym modelem kosmologicznym, które ujawniły się w ostatnich latach, powiedział Marc Kamionkowski, kosmolog z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, który pomógł obliczyć stałą Hubble’a i niedawno opracował możliwe nowe wyjaśnienie tego napięcia.
Standardowy model wyjaśnia ewolucję galaktyk, kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła pochodzące z Wielkiego Wybuchu, obfitości pierwiastków chemicznych we Wszechświecie i wiele innych kluczowych obserwacji opartych na znanych prawach fizyki. Jednak nie wyjaśnia w pełni natury ciemnej materii i ciemnej energii — tajemniczych składników Wszechświata, które według szacunków odpowiadają za 96% jego struktury i przyspieszoną ekspansję.
„Jednym z możliwych wyjaśnień napięcia Hubble’a byłoby to, że brakuje nam czegoś w zrozumieniu wczesnego Wszechświata, na przykład nowego składnika materii — wczesnej ciemnej energii — który dał Wszechświatowi niespodziewany impuls po Wielkim Wybuchu” — powiedział Kamionkowski, który nie był zaangażowany w nowe badanie. „Są też inne pomysły, takie jak nietypowe właściwości ciemnej materii, egzotyczne cząstki, zmieniająca się masa elektronu, czy pierwotne pola magnetyczne, które mogą pasować do tej układanki. Teoretycy mogą tu być naprawdę kreatywni”.

Wśród innych autorów badania znaleźli się Dan Scolnic i Tianrui Wu z Uniwersytetu Duke’a; Gagandeep S. Anand, Stefano Casertano i Rachael Beaton z Instytutu Teleskopu Kosmicznego (Space Telescope Science Institute); Louise Breuval, Wenlong Yuan, Yukei S. Murakami, Graeme E. Addison i Charles Bennett z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa; Lucas M. Macri z NSF NOIRLab; Caroline D. Huang z Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian; Saurabh Jha z Uniwersytetu Rutgers, The State University of New Jersey; Dillon Brout z Uniwersytetu Bostońskiego; Richard I. Anderson z École Polytechnique Fédérale de Lausanne; Alexei V. Filippenko z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley; oraz Anthony Carr z Uniwersytetu Queensland w Brisbane.

Badanie to jest wspierane przez grant Departamentu Energii DE-SC0010007, Fundację Davida i Lucile Packard, Fundację Templetona, Fundację Sloan, projekty JWST GO-1685 i GO-2875, HST GO-16744 i GO-17312 oraz Fundusz Christophera R. Redlicha.