„W końcu może nie być konfliktu” w rozszerzającej się debacie we wszechświecie

„W końcu może nie być konfliktu” w rozszerzającej się debacie we wszechświecie

Nasz wszechświat się rozszerza, ale nasze dwa główne sposoby mierzenia szybkości tej ekspansji przyniosły różne odpowiedzi. Przez ostatnią dekadę astrofizycy stopniowo dzielili się na dwa obozy: jeden, który uważa, że ​​różnica jest znacząca, i drugi, który uważa, że ​​może to wynikać z błędów pomiarowych. Jeśli okaże się, że błędy powodują niedopasowanie, potwierdziłoby to nasz podstawowy model działania wszechświata. Druga możliwość przedstawia wątek, który po pociągnięciu sugerowałby, że potrzebna jest pewna podstawowa brakująca nowa fizyka, aby połączyć ją z powrotem. Przez kilka lat każdy nowy dowód z teleskopów wprawiał w zakłopotanie argument, dając początek tak zwanemu „napięciu Hubble’a”. Wendy Freedman, znana astronom i profesor astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie w Chicago, John and Marion Sullivan University, wykonała niektóre z oryginalnych pomiarów tempa ekspansji Wszechświata, które zaowocowały wyższą wartością stałej Hubble’a. Ale w nowym artykule przeglądowym przyjętym do Astrophysical Journal, Freedman przedstawia przegląd najnowszych obserwacji. Jej wniosek: ostatnie obserwacje zaczynają zamykać lukę. Oznacza to, że mimo wszystko może nie być konfliktu, a nasz standardowy model wszechświata nie musi być znacząco modyfikowany. Tempo, w jakim wszechświat się rozszerza, nazywa się stałą Hubble’a, nazwaną na cześć ałunu z UChicago Edwina Hubble’a, SB 1910, PhD 1917, któremu przypisuje się odkrycie rozszerzania się wszechświata w 1929 roku. Naukowcy chcą dokładnie określić to tempo, ponieważ stała Hubble’a jest powiązana z wiekiem wszechświata i jego ewolucją w czasie. Poważna zmarszczka pojawiła się w ostatniej dekadzie, kiedy wyniki dwóch głównych metod pomiarowych zaczęły się różnić. Ale naukowcy wciąż debatują nad znaczeniem niedopasowania. Jednym ze sposobów pomiaru stałej Hubble’a jest obserwacja bardzo słabego światła pozostałego po Wielkim Wybuchu, zwanego kosmicznym mikrofalowym tłem. Dokonano tego zarówno w kosmosie, jak i na ziemi za pomocą urządzeń, takich jak prowadzony przez UChicago Teleskop Bieguna Południowego. Naukowcy mogą wprowadzić te obserwacje do swojego “standardowego modelu” wczesnego Wszechświata i przesunąć go w czasie, aby przewidzieć, jaka powinna być dzisiaj stała Hubble’a; uzyskują odpowiedź 67,4 kilometrów na sekundę na megaparsek. Inną metodą jest przyglądanie się gwiazdom i galaktykom w pobliskim wszechświecie i mierzenie ich odległości oraz szybkości oddalania się od nas. Freedman od wielu dziesięcioleci jest czołowym ekspertem w tej metodzie; w 2001 roku jej zespół wykonał jeden z przełomowych pomiarów za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a do obrazowania gwiazd zwanych cefeidami. Wartość, którą znaleźli, wynosiła 72. Freedman kontynuował pomiary cefeid przez kolejne lata, za każdym razem przeglądając więcej danych z teleskopu; jednak w 2019 roku ona i jej koledzy opublikowali odpowiedź opartą na zupełnie innej metodzie wykorzystującej gwiazdy zwane czerwonymi olbrzymami. Pomysł polegał na sprawdzeniu cefeid niezależną metodą. Czerwone olbrzymy to bardzo duże i jasne gwiazdy, które zawsze osiągają tę samą szczytową jasność, zanim szybko znikną. Jeśli naukowcy potrafią dokładnie zmierzyć rzeczywistą lub wewnętrzną szczytową jasność czerwonych olbrzymów, mogą wtedy zmierzyć odległości do ich macierzystych galaktyk, co jest istotną, ale trudną częścią równania. Kluczowym pytaniem jest to, jak dokładne są te pomiary. Pierwsza wersja tych obliczeń w 2019 r. wykorzystywała pojedynczą, bardzo pobliską galaktykę do kalibracji jasności czerwonych olbrzymów. W ciągu ostatnich dwóch lat Freedman i jej współpracownicy przeprowadzili obliczenia dla kilku różnych galaktyk i populacji gwiazd. „Istnieją teraz cztery niezależne sposoby kalibracji jasności czerwonych olbrzymów i zgadzają się one z dokładnością do 1%” – powiedział Freedman. „To wskazuje nam, że to naprawdę dobry sposób mierzenia odległości”. „Naprawdę chciałem uważnie przyjrzeć się zarówno cefeidom, jak i czerwonym olbrzymom. Dobrze znam ich mocne i słabe strony” – powiedział Freedman. „Doszedłem do wniosku, że nie potrzebujemy fundamentalnej nowej fizyki, aby wyjaśnić różnice w szybkości ekspansji lokalnej i odległej. Nowe dane dotyczące czerwonego olbrzyma pokazują, że są one spójne”. Taylor Hoyt, absolwent University of Chicago, który dokonuje pomiarów gwiazd czerwonych olbrzymów w galaktykach kotwicznych, dodał: „Ciągle mierzymy i testujemy gwiazdy gałęzi czerwonych olbrzymów na różne sposoby, a one wciąż przekraczają nasze oczekiwania”. Wartość stałej Hubble’a, jaką zespół Freedmana otrzymuje od czerwonych olbrzymów, wynosi 69,8 km/s/Mpc – praktycznie tyle samo, co wartość uzyskana w eksperymencie kosmicznego mikrofalowego tła. „Nie jest wymagana żadna nowa fizyka” – powiedział Freedman. Obliczenia z wykorzystaniem cefeid nadal dają wyższe liczby, ale według analizy Freedmana różnica może nie być niepokojąca. „Gwiazdy cefeidy zawsze były trochę głośniejsze i nieco bardziej skomplikowane do pełnego zrozumienia; są młodymi gwiazdami w aktywnych obszarach gwiazdotwórczych galaktyk, a to oznacza, że ​​istnieje możliwość odrzucenia takich rzeczy jak pył lub zanieczyszczenia z innych gwiazd Twoje pomiary – wyjaśniła. Jej zdaniem konflikt można rozwiązać dzięki lepszym danym. W przyszłym roku, kiedy ma wystartować Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, naukowcy zaczną zbierać nowe obserwacje. Freedman i jego współpracownicy otrzymali już czas na teleskopie na duży program, aby wykonać więcej pomiarów zarówno cefeid, jak i czerwonych olbrzymów. „Webb zapewni nam wyższą czułość i rozdzielczość, a dane staną się lepsze naprawdę, bardzo szybko” – powiedziała. Ale w międzyczasie chciała dokładnie przyjrzeć się istniejącym danym i odkryła, że ​​większość z nich faktycznie się zgadza. „W ten sposób postępuje nauka” – powiedział Freedman. „Kopiesz w opony, aby sprawdzić, czy coś uchodzi powietrze, a jak dotąd nie ma przebitych opon”. Niektórzy naukowcy, którzy domagali się fundamentalnego niedopasowania, mogą być rozczarowani. Ale dla Freedmana obie odpowiedzi są ekscytujące. „Wciąż jest miejsce na nową fizykę, ale nawet jeśli jej nie ma, pokazałoby to, że nasz standardowy model jest w zasadzie poprawny, co jest również głębokim wnioskiem, do którego należy dojść” – powiedziała. „To interesująca rzecz w nauce: nie znamy z góry odpowiedzi. Uczymy się na bieżąco. Praca w terenie to naprawdę ekscytujący czas”.

science