W starciu rywalizujących ze sobą kosmologów naukowcy zaczynają znajdować wspólny język

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba może pomóc naukowcom lepiej zmierzyć, jak szybko rozszerza się wszechświat. Galaktyka NGC 5584, pokazana na złożonym obrazie JWST i Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, zawiera gwiazdy zwane cefeidami, które są kluczowe dla pomiaru ekspansji. Zdjęcie: NASA, ESA, CSA, Adam G. Riess/JHU i STScI, Alyssa Pagan/STScI

Największe starcie w dziedzinie kosmologii może być coraz bliżej rozwiązania dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba.

Naukowcy nie zgadzają się co do tempa ekspansji wszechświata, znanego jako stała Hubble'a. Istnieją dwie główne metody jego pomiaru — jedna oparta na eksplodujących gwiazdach zwanych supernowymi, a druga na najstarszym świetle wszechświata, kosmicznym mikrofalowym tle. Te dwie techniki są w konflikcie od dekady, w tak zwanym „napięciu Hubble'a” (SN: 3/21/14). Jeśli to napięcie jest prawdziwe, a nie wynikiem błędu w jednym z pomiarów, wymagałoby to drastycznej zmiany w sposobie, w jaki naukowcy rozumieją wszechświat.

Nowe artykuły opublikowane przez dwóch głównych graczy budzą nadzieję, że dodatkowe obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) niektórych typów gwiazd i supernowych mogą raz na zawsze rozwiązać kwestię tego, czy rozdźwięk jest prawdziwy.

Oba zespoły nie zgadzają się co do tego, czy takie napięcie w ogóle istnieje. Jeden zespół twierdzi, że nie ma mocnych dowodów na istnienie napięcia Hubble'a z danych JWST. Ale druga grupa twierdzi, że dane JWST tylko wzmacniają argument, że oba rodzaje pomiaru są ze sobą niezgodne. „Jestem jeszcze bardziej zaintrygowany napięciem Hubble'a”, mówi kosmolog Adam Riess z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, lider jednego z zespołów.

Różne obozy w końcu zgadzają się co do jednego elementu swoich pomiarów: odległości do pobliskich galaktyk, które są niezbędne do wywnioskowania tempa ekspansji wszechświata z supernowych. „To naprawdę coś nowego — zgadzamy się co do odległości, a to prawdziwy postęp”, mówi kosmolog Wendy Freedman z Uniwersytetu w Chicago, która przewodzi drugiemu zespołowi.

„Gdybyś powiedział mi 10 lat temu, że wszystko to będzie się zgadzać na tym poziomie, po prostu bym wyskoczył z butów” - mówi kosmolog Daniel Scolnic z Duke University, członek zespołu Riessa.

To porozumienie daje naukowcom nową pewność, że długotrwały spór jest bliski rozwiązania. „Jestem dość optymistycznie nastawiony, że w ciągu najbliższych kilku lat kwestie, o których teraz rozmawiamy, zostaną rozwiązane”, mówi Freedman.

Dochodzenie do konsensusu w sprawie kosmicznych odległości

Naukowa teoria wszechświata, zwana standardowym modelem kosmologicznym, opiera się w dużej mierze na niewiadomych. Ciemna materia, substancja dodająca galaktykom niewidoczną masę, nigdy nie została bezpośrednio wykryta. Ciemna energia, zjawisko powodujące przyspieszenie ekspansji wszechświata, również pozostaje pod znakiem zapytania. Model ten okazał się jednak niezwykle skuteczny w opisywaniu kosmosu.

Zaczynając od starożytnego światła kosmicznego mikrofalowego tła, naukowcy mogą wykorzystać standardowy model kosmologiczny do określenia dzisiejszego tempa ekspansji. Technika ta pozwala stwierdzić, że przestrzeń rozszerza się z prędkością 67 kilometrów na sekundę na megaparsek. (Jeden megaparsek to około 3 miliony lat świetlnych).

Jednak pomiary supernowych przeprowadzone przez Riessa i współpracowników ustalają tę liczbę na około 73 km/s/Mpc, co stawia te dwa wyniki w bezpośredniej sprzeczności. Może to sugerować, że coś jest nie tak ze standardowym modelem kosmologicznym.

Aby określić tempo ekspansji za pomocą techniki supernowej, kosmolodzy muszą zmierzyć odległości do wielu odległych supernowych. Wymaga to techniki zwanej drabiną odległości, aby przełożyć pobliskie odległości na te bardziej odległe.

Szczególnej analizie poddawany jest drugi szczebel tej drabiny, na którym naukowcy obserwują określone typy gwiazd — najczęściej gwiazdy pulsujące zwane cefeidami, w celu określenia odległości do galaktyk, w których się znajdują, a także do supernowych, które wystąpiły w tych samych galaktykach. Obserwacja tych gwiazd za pomocą JWST, który ma lepszą rozdzielczość niż Kosmiczny Teleskop Hubble'a, może wykryć błędy w pomiarach dla tego szczebla.

Oprócz cefeid Freedman i współpracownicy wykorzystali do pomiarów odległości dwa inne typy gwiazd. Korzystając z danych JWST dotyczących wszystkich trzech, Freedman i współpracownicy stwierdzili, że tempo ekspansji wynosi około 70 km/s/Mpc. Biorąc pod uwagę niepewność pomiarów, jest to wartość na tyle zbliżona do kosmicznego mikrofalowego tła, że nie wymaga od fizyków ponownego przemyślenia kosmosu, informuje zespół w artykule przesłanym 12 sierpnia do arXiv.org. Nie wyklucza to jednak w pełni istnienia napięcia Hubble'a. „Potrzebujemy więcej danych, aby definitywnie odpowiedzieć na to pytanie”, mówi Freedman.

Zmienna gwiazda cefeidy używana do pomiaru odległości kosmicznej jest pokazana na zdjęciach wykonanych przez Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (po lewej) i Teleskop Kosmiczny Hubble'a (po prawej) w zakresie bliskiej podczerwieni. Poziom szczegółowości uchwycony przez JWST pozwala naukowcom na wykonywanie dokładniejszych pomiarów obiektów kosmicznych. Zdjęcie: NASA, ESA, CSA, STScI, A.G. Riess/JHU i STScI

Trzy techniki pomiaru odległości były ogólnie rzecz biorąc zgodne, mówi Freedman. Pomiary za pomocą cefeid dały nieco wyższą wartość stałej Hubble'a niż pozostałe dwie metody, ale nie na tyle, aby stwierdzić, że coś jest nie tak z techniką. „Występuje przesunięcie, ale niepewności są na tyle duże, że nie można z całą pewnością stwierdzić, że tak właśnie będzie”, mówi Freedman.

 

Ciągłe zamieszanie wokół Hubble'a

Pomimo zgody co do odległości, zespoły nadal różnią się w kwestii stałej Hubble'a. Może to być spowodowane niewielką liczbą pomiarów wykonanych do tej pory za pomocą JWST, donoszą Riess, Scolnic i współpracownicy w artykule przesłanym do arXiv.org 21 sierpnia. Zespół Freedmana twierdzi, że gdyby wybrał inne galaktyki do obserwacji za pomocą JWST, uzyskałby większą wartość stałej Hubble'a. (Żaden z artykułów nie został poddany wzajemnej weryfikacji, a wyniki mogą ulec zmianie pod wpływem dalszej analizy).

Naukowcy pracują tylko z pierwszymi fragmentami danych z JWST. Aby rozwiązać tę zagadkę, „najlepszą rzeczą, jaką możemy zrobić, jest wykorzystanie znacznie większej ilości czasu JWST do zbadania skali odległości”, mówi astronom John Blakeslee z NOIRLab w Tucson w Arizonie, który nie był zaangażowany w badania. 

Freedman chce nadal szukać niezidentyfikowanych kwestii znanych jako systematyczne niepewności, które mogą sztucznie podnosić szacunki stałej Hubble'a. Jedną z obaw jest zatłoczenie — wiele gwiazd zgromadzonych w tym samym miejscu, co zniekształca pomiary cefeid. W zeszłym roku zespół Riessa nie znalazł dowodów na zatłoczenie w danych JWST (SN: 9/28/23). Freedman sugeruje jednak, że efekt ten może być bardziej widoczny na większych odległościach niż te, które dotychczas badano za pomocą JWST.

Jeśli naukowcy stwierdzą, że różne pomiary odległości nie zgadzają się ze sobą, mówi kosmolog Saul Perlmutter z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który nie był zaangażowany w badania, „może to sugerować, że musimy najpierw dotrzeć do sedna systematycznych niepewności, zanim zaczniemy martwić się poważnym problemem z modelem kosmologicznym”.

Wielu fizyków jest jednak optymistycznie nastawionych do napięcia Hubble'a. Z jednej strony, różne inne metody również wykazały wyższe, niż oczekiwano tempo ekspansji, mówi kosmolog Eleonora Di Valentino z Uniwersytetu w Sheffield w Anglii, która również nie była zaangażowana w badania. „Napięcie Hubble'a jest nadal bardzo solidne”.

„Postrzegam te wyniki jako potwierdzenie faktu, że mamy tę różnicę między tym, czego oczekujemy od naszego standardowego modelu kosmologicznego, a tym, co widzimy z tych pomiarów”, mówi kosmolog Lloyd Knox z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, który nie jest zaangażowany w żaden z zespołów. 

Standardowy model kosmologiczny, jak zauważa, opiera się na tajemniczej ciemnej energii i materii. „Być może jest to wskazówka dotycząca ciemnego wszechświata i musimy tylko dowiedzieć się, jak ją zinterpretować”.