Kiedy próbujesz rozwiązać jedną z największych zagadek kosmologii, powinieneś trzykrotnie sprawdzić swoją pracę domową. Zagadka zwana „napięciem Hubble’a” polega na tym, że obecne tempo rozszerzania się Wszechświata jest szybsze, niż spodziewają się tego astronomowie na podstawie warunków początkowych Wszechświata i naszego obecnego zrozumienia ewolucji Wszechświata.
Naukowcy korzystający z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Hubble'a i wielu innych teleskopów konsekwentnie znajdują liczbę, która nie odpowiada przewidywaniom opartym na obserwacjach z misji Planck należącej do ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej). Czy rozwiązanie tej rozbieżności wymaga nowej fizyki? A może jest to wynik błędów pomiarowych pomiędzy dwiema różnymi metodami używanymi do określenia tempa rozszerzania się przestrzeni?
Hubble mierzy obecne tempo rozszerzania się Wszechświata od 30 lat, a astronomowie chcą wyeliminować wszelkie utrzymujące się wątpliwości co do jego dokładności. Teraz Hubble i należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba połączyli siły, aby uzyskać ostateczne pomiary, co potwierdza tezę, że coś innego – a nie błędy pomiaru – wpływa na tempo ekspansji.
„Po zanegowaniu błędów pomiarowych pozostaje realna i ekscytująca możliwość, że źle zrozumieliśmy wszechświat” – powiedział Adam Riess, fizyk z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Baltimore. Riess jest laureatem Nagrody Nobla za współodkrycie faktu, że ekspansja Wszechświata przyspiesza z powodu tajemniczego zjawiska zwanego obecnie „ciemną energią”.
Dla porównania, wstępna obserwacja Webba przeprowadzona w 2023 roku potwierdziła, że pomiary Hubble'a dotyczące rozszerzającego się Wszechświata były dokładne. Jednakże, mając nadzieję na złagodzenie napięcia Hubble'a, niektórzy naukowcy spekulowali, że niewidoczne błędy w pomiarach mogą wzrosnąć i stać się widoczne, gdy spojrzymy głębiej w wszechświat. W szczególności stłoczenie gwiazd może w systematyczny sposób wpływać na pomiary jasności bardziej odległych gwiazd.
Zespół SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), kierowany przez Riessa, uzyskał za pomocą Webba dodatkowe obserwacje obiektów będących krytycznymi kosmicznymi znacznikami milowymi, znanych jako cefeidy, które można teraz skorelować z danymi z Hubble'a.
„Objęliśmy teraz cały zakres obserwacji Hubble'a i możemy z dużą pewnością wykluczyć błąd pomiaru jako przyczynę napięcia Hubble'a” – powiedział Riess.
Kilka pierwszych obserwacji Webba przeprowadzonych przez zespół w 2023 r. z sukcesem pokazało, że Hubble był na dobrej drodze, mocno ustanawiając wierność pierwszych szczebli tak zwanej kosmicznej drabiny odległości.
Astronomowie używają różnych metod pomiaru względnych odległości we wszechświecie, w zależności od obserwowanego obiektu. Łącznie techniki te nazywane są kosmiczną drabiną odległości – każdy szczebel lub technika pomiarowa opiera się na poprzednim etapie kalibracji.
Niektórzy astronomowie sugerowali jednak, że w miarę przesuwania się na zewnątrz „drugiego szczebla” kosmiczna drabina odległości może się chwiać, jeśli pomiary cefeid staną się mniej dokładne wraz ze wzrostem odległości. Takie niedokładności mogą wystąpić, ponieważ światło cefeidy może zlewać się ze światłem sąsiedniej gwiazdy – efekt ten może stać się bardziej wyraźny wraz z odległością, w miarę jak gwiazdy gromadzą się i stają się trudniejsze do odróżnienia od siebie.
Wyzwanie obserwacyjne polega na tym, że wcześniejsze zdjęcia z Hubble'a tych bardziej odległych cefeid wydają się bardziej skupione i nakładają się na sąsiednie gwiazdy w coraz większych odległościach między nami a ich galaktykami macierzystymi, co wymaga dokładnego uwzględnienia tego efektu. Wtrącający się pył dodatkowo komplikuje pewność pomiarów w świetle widzialnym. Webb przecina pył i w naturalny sposób izoluje cefeidy od sąsiednich gwiazd, ponieważ jego widzenie jest ostrzejsze niż Hubble'a w zakresie fal podczerwonych.
„Połączenie Webba i Hubble'a daje nam to, co najlepsze z obu światów. Odkryliśmy, że pomiary wykonane przez Hubble'a pozostają wiarygodne w miarę wspinania się dalej po kosmicznej drabinie odległości” – powiedział Riess.
Nowe obserwacje Webba obejmują pięć galaktyk macierzystych z ośmioma supernowymi typu Ia zawierającymi łącznie 1000 cefeid i sięgają do najdalszej galaktyki, w której dobrze zmierzono cefeidy – NGC 5468 – w odległości 130 milionów lat świetlnych. „To obejmuje cały zakres, w którym dokonywaliśmy pomiarów za pomocą Hubble’a. Zatem dotarliśmy do końca drugiego szczebla kosmicznej drabiny odległości” – powiedział współautor Gagandeep Anand z Space Telescope Science Institute w Baltimore, który działa teleskopy Webba i Hubble'a dla NASA.
Dalsze potwierdzenie przez Hubble'a i Webba napięcia Hubble'a powoduje powołanie innych obserwatoriów, które prawdopodobnie rozwiążą zagadkę. Nadchodzący rzymski teleskop kosmiczny Nancy Grace NASA przeprowadzi szerokie badania nieba, aby zbadać wpływ ciemnej energii, tajemniczej energii, która powoduje przyspieszenie ekspansji Wszechświata. Obserwatorium Euclid należące do ESA, przy wsparciu NASA, realizuje podobne zadanie.
Obecnie wygląda na to, że drabina odległości obserwowana przez Hubble'a i Webba mocno zakotwiczyła punkt na jednym brzegu rzeki, a poświata Wielkiego Wybuchu obserwowana za pomocą pomiarów Plancka od początku Wszechświata była mocno osadzona po drugiej stronie . Nie udało się jeszcze bezpośrednio zaobserwować, jak zmieniała się ekspansja Wszechświata w ciągu miliardów lat pomiędzy tymi dwoma punktami końcowymi. „Musimy dowiedzieć się, czy nie brakuje nam czegoś, co łączy początek wszechświata z dniem dzisiejszym” – powiedział Riess.