Wydaje się, że Wszechświat naprawdę szybko się rozszerza. Nawet za szybko.
Nowy pomiar potwierdza to, co wykazały poprzednie – i szeroko dyskutowane – wyniki: Wszechświat rozszerza się szybciej, niż przewidywały to modele teoretyczne i szybciej, niż można to wytłumaczyć naszym obecnym rozumieniem fizyki.
Ta rozbieżność między modelem a danymi stała się znana jako napięcie Hubble'a. Teraz wyniki opublikowane w Astrophysical Journal Letters jeszcze mocniej potwierdzają szybsze tempo ekspansji.
„Napięcie przeradza się obecnie w kryzys” – powiedział Dan Scolnic, który kierował zespołem badawczym.
Określenie tempa ekspansji Wszechświata – znanego jako stała Hubble’a – jest głównym zadaniem naukowym od 1929 roku, kiedy Edwin Hubble po raz pierwszy odkrył, że Wszechświat się rozszerza.
Scolnic, profesor fizyki na Duke University, wyjaśnia to jako próbę zbudowania wykresu wzrostu Wszechświata: wiemy, jaki miał rozmiar w chwili Wielkiego Wybuchu, ale jak osiągnął rozmiar, jaki ma obecnie? W jego analogii obraz dziecka Wszechświata przedstawia odległy Wszechświat, pierwotne nasiona galaktyk. Aktualne zdjęcie Wszechświata przedstawia Wszechświat lokalny, który zawiera Drogę Mleczną i jej sąsiadów. Standardowym modelem kosmologii jest krzywa wzrostu łącząca oba. Problem w tym, że rzeczy nie łączą się.
„To w pewnym sensie oznacza, że nasz model kosmologii może zostać złamany” – stwierdził Scolnic.
Pomiar Wszechświata wymaga kosmicznej drabiny, która jest szeregiem metod stosowanych do pomiaru odległości do ciał niebieskich, przy czym każda metoda, czyli „szczebel”, opiera się na poprzedniej w celu kalibracji.
Drabinę używaną przez Scolnica stworzył oddzielny zespół na podstawie danych z instrumentu spektroskopowego ciemnej energii (DESI), który każdej nocy obserwuje ponad 100 000 galaktyk ze swojego punktu obserwacyjnego w Narodowym Obserwatorium Kitt Peak.
Scolnic doszedł do wniosku, że drabinę tę można zakotwiczyć bliżej Ziemi, dokładniej określając odległość do Gromady w Warkoczu, jednej z najbliższych nam gromad galaktyk.
„Współpraca DESI wykonała naprawdę trudną część, w ich drabinie brakowało pierwszego szczebla” – powiedział Scolnic. „Wiedziałem, jak to uzyskać i wiedziałem, że da nam to jeden z najdokładniejszych pomiarów stałej Hubble'a, jaki mogliśmy uzyskać, więc kiedy ukazał się ich artykuł, rzuciłem absolutnie wszystko i pracowałem nad tym bez przerwy”.
Aby określić dokładną odległość do gromady Coma, Scolnic i jego współpracownicy, dzięki funduszom fundacji Templetona, wykorzystali krzywe blasku 12 supernowych typu Ia znajdujących się w gromadzie. Podobnie jak świece oświetlające ciemną ścieżkę, supernowe typu Ia mają przewidywalną jasność, która koreluje z ich odległością, co czyni je niezawodnymi obiektami do obliczeń odległości.
Zespół przybył na odległość około 320 milionów lat świetlnych, czyli prawie w środku zakresu odległości raportowanych na przestrzeni 40 lat poprzednich badań, co uspokaja i potwierdza jego dokładność.
„Ten pomiar nie jest obciążony tym, jak naszym zdaniem zakończy się historia napięcia Hubble’a” – powiedział Scolnic. „Ta gromada znajduje się na naszym podwórku. Została zmierzona na długo przed tym, zanim ktokolwiek wiedział, jak ważna będzie”.
Wykorzystując ten niezwykle precyzyjny pomiar jako pierwszy szczebel, zespół skalibrował resztę kosmicznej drabiny odległości. Doszli do wartości stałej Hubble'a wynoszącej 76,5 kilometrów na sekundę na megaparsek, co zasadniczo oznacza, że lokalny Wszechświat rozszerza się o 76,5 kilometrów na sekundę szybciej co 3,26 miliona lat świetlnych.
Wartość ta odpowiada istniejącym pomiarom tempa ekspansji lokalnego Wszechświata. Jednak, podobnie jak wszystkie te pomiary, jest to sprzeczne z pomiarami stałej Hubble'a przy użyciu przewidywań z odległego Wszechświata. Innymi słowy: odpowiada tempu ekspansji Wszechświata, jakie niedawno zmierzyły inne zespoły, ale nie tak, jak przewiduje to nasze obecne rozumienie fizyki. Odwieczne pytanie brzmi: czy jest to wada w pomiarach, czy w modelach?
Nowe wyniki zespołu Scolnic w ogromnym stopniu potwierdzają wyłaniający się obraz, że źródło napięcia Hubble'a leży w modelach.
„W ciągu mniej więcej ostatniej dekady społeczność przeprowadziła wiele ponownych analiz, aby sprawdzić, czy oryginalne wyniki mojego zespołu są prawidłowe” – powiedział Scolnic, którego badania konsekwentnie kwestionują stałą Hubble'a przewidywaną przy użyciu standardowego modelu fizyki. „Ostatecznie, mimo że wymienimy tak wiele elementów, wszyscy nadal otrzymamy bardzo podobną liczbę. Dlatego dla mnie jest to najlepsze potwierdzenie, jakie kiedykolwiek udało mi się uzyskać”.
„Jesteśmy w punkcie, w którym naprawdę mocno naciskamy na modele, których używamy od dwóch i pół dekady, i widzimy, że wszystko nie pasuje do siebie” – powiedział Scolnic. „To może zmienić sposób, w jaki myślimy o Wszechświecie, i to jest ekscytujące! W kosmologii wciąż pozostają niespodzianki i kto wie, jakie odkrycia nastąpią dalej?”
Prace te przeprowadzono dzięki funduszom Fundacji Templetona, Departamentu Energii, Fundacji Davida i Lucile Packardów, Fundacji Sloana, Narodowej Fundacji Nauki i NASA.