Wszechświat się rozszerza. Szybkość tego zjawiska opisuje tak zwana stała Hubble’a-Lemaitre’a. Istnieje jednak spór co do tego, jak duża jest w rzeczywistości ta stała: różne metody pomiaru dostarczają sprzecznych wartości. To tak zwane „napięcie Hubble’a” stanowi zagadkę dla kosmologów. Naukowcy z uniwersytetów w Bonn i St. Andrews proponują teraz nowe rozwiązanie: stosując alternatywną teorię grawitacji, rozbieżności w zmierzonych wartościach można łatwo wyjaśnić – napięcie Hubble'a znika. Wyniki badania opublikowano obecnie w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).
Ekspansja wszechświata powoduje, że galaktyki oddalają się od siebie. Szybkość, z jaką to robią, jest proporcjonalna do odległości między nimi. Na przykład, jeśli galaktyka A jest dwa razy dalej od Ziemi niż galaktyka B, jej odległość od nas również rośnie dwa razy szybciej. Amerykański astronom Edwin Hubble był jednym z pierwszych, którzy dostrzegli to powiązanie.
Aby obliczyć, jak szybko dwie galaktyki oddalają się od siebie, należy wiedzieć, jak daleko się od siebie znajdują. Wymaga to jednak również stałej, przez którą należy pomnożyć tę odległość. Jest to tak zwana stała Hubble'a-Lemaitre'a, podstawowy parametr w kosmologii. Jego wartość można określić na przykład patrząc na bardzo odległe rejony wszechświata. Daje to prędkość prawie 244 000 kilometrów na godzinę na odległość megaparseków (jeden megaparsek to nieco ponad trzy miliony lat świetlnych).
244 000 kilometrów na godzinę na megaparsek – czyli 264 000?
„Ale można także przyjrzeć się ciałom niebieskim, które są znacznie bliżej nas – tak zwanym supernowym kategorii 1a, które są pewnego rodzaju gwiazdami eksplodującymi” – wyjaśnia prof. dr Pavel Kroupa z Instytutu Promieniowania i Fizyki Jądrowej im. Helmholtza na Uniwersytecie w Bonn. Możliwe jest bardzo dokładne określenie odległości supernowej 1a od Ziemi. Wiemy również, że świecące przedmioty zmieniają kolor, gdy się od nas oddalają – a im szybciej się poruszają, tym silniejsza jest zmiana. Przypomina to karetkę pogotowia, której syrena brzmi głębiej w miarę oddalania się od nas.
Jeśli teraz obliczymy prędkość supernowych 1a na podstawie zmiany koloru i skorelujemy to z odległością, otrzymamy inną wartość stałej Hubble'a-Lemaitre'a – mianowicie nieco poniżej 264 000 kilometrów na godzinę na odległość megaparsek. „Wydaje się zatem, że Wszechświat rozszerza się szybciej w naszym sąsiedztwie – to znaczy do odległości około trzech miliardów lat świetlnych – niż w całości” – mówi Kroupa. – A to naprawdę nie powinno mieć miejsca.
Jednak niedawno pojawiła się obserwacja, która może to wyjaśnić. Zgodnie z tym Ziemia znajduje się w obszarze przestrzeni, w którym jest stosunkowo mało materii – porównywalnie do pęcherzyka powietrza w torcie. Gęstość materii jest większa wokół bańki. Z otaczającej materii emanują siły grawitacyjne, które ciągną galaktyki w bąblu w stronę krawędzi wnęki. „Dlatego oddalają się od nas szybciej, niż można by się tego spodziewać” – wyjaśnia dr Indranil Banik z St. Andrews University. Odchylenia można zatem po prostu wyjaśnić lokalnym „niedostatecznym zagęszczeniem”.
W rzeczywistości inna grupa badawcza zmierzyła niedawno średnią prędkość dużej liczby galaktyk oddalonych od nas o 600 milionów lat świetlnych. „Odkryto, że galaktyki te oddalają się od nas cztery razy szybciej, niż pozwala na to standardowy model kosmologii” – wyjaśnia Sergij Mazurenko z grupy badawczej Kroupy, który brał udział w bieżących badaniach.
Bańka w cieście wszechświata
Dzieje się tak dlatego, że standardowy model nie przewiduje takich niedostatecznych gęstości lub „pęcherzyków” – w rzeczywistości nie powinny one istnieć. Zamiast tego materia powinna być równomiernie rozłożona w przestrzeni. Gdyby jednak tak było, trudno byłoby wyjaśnić, jakie siły napędzają galaktyki do dużej prędkości.
„Model standardowy opiera się na teorii natury grawitacji zaproponowanej przez Alberta Einsteina” – mówi Kroupa. „Jednak siły grawitacyjne mogą zachowywać się inaczej, niż oczekiwał Einstein”. Grupy robocze z uniwersytetów w Bonn i St. Andrews wykorzystały zmodyfikowaną teorię grawitacji w symulacji komputerowej. Ta „zmodyfikowana dynamika Newtona” (w skrócie: MOND) została zaproponowana cztery dekady temu przez izraelskiego fizyka, profesora dr Mordehai Milgroma. Dziś nadal uważa się ją za teorię outsiderów. „Jednak w naszych obliczeniach MOND dokładnie przewiduje istnienie takich bąbelków” – mówi Kroupa.
Gdyby założyć, że grawitacja faktycznie zachowuje się zgodnie z założeniami Milgroma, napięcie Hubble'a zniknęłoby: w rzeczywistości istniałaby tylko jedna stała ekspansji Wszechświata, a obserwowane odchylenia wynikałyby z nieregularności w rozkładzie materii.
Oprócz Uniwersytetu w Bonn w badaniu uczestniczyły także Uniwersytety w Saint Andrews (Szkocja) i Uniwersytet Karola w Pradze (Czechy). Prace sfinansowała brytyjska Rada ds. Obiektów Naukowo-Technologicznych.