W latach dwudziestych Edwin Hubble dokonał przełomowego objawienia, że Wszechświat jest w stanie ekspansji. Potwierdzenie to, pierwotnie przewidywane jako konsekwencja ogólnej teorii względności Einsteina, doprowadziło do tak zwanej stałej Hubble'a. W ciągu dziesięcioleci i dzięki rozmieszczeniu teleskopów nowej generacji - takich jak trafnie nazwany Kosmiczny Teleskop Hubble'a (HST) - naukowcy zostali zmuszeni do zmiany tego prawa.
Krótko mówiąc, w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci zdolność widzenia dalej w kosmos (i głębiej w czasie) pozwoliła astronomom na dokładniejsze pomiary tego, jak szybko rozszerzył się wczesny Wszechświat. A dzięki nowej ankiecie przeprowadzonej za pomocą Hubble'a międzynarodowy zespół astronomów był w stanie przeprowadzić jak dotąd najbardziej precyzyjne pomiary tempa ekspansji Wszechświata.
Badanie to zostało przeprowadzone przez zespół Supernova H0 dla zespołu Equation of State (SH0ES), międzynarodowej grupy astronomów, która od 2005 roku dąży do udoskonalenia dokładności stałej Hubble'a. Grupą kieruje Adam Reiss z Kosmosu Telescope Science Institute (STScI) i Johns Hopkins University, i obejmuje członków z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej, Instytutu Neilsa Bohra, National Optical Astronomy Observatory oraz wielu prestiżowych uniwersytetów i instytucji badawczych.
Badanie, które opisuje ich odkrycia, pojawiło się niedawno w The Astrophysical Journal pod tytułem „Typ Ia Supernova Odległości przy przesunięciu ku czerwieni> 1,5 od Kosmiczny teleskop Hubble Wielokołowe programy skarbowe: wskaźnik wczesnej ekspansji ”. Ze względu na badania i zgodnie z ich długoterminowymi celami zespół starał się zbudować nową i dokładniejszą „drabinę odległości”.
To narzędzie jest sposobem, w jaki astronomowie tradycyjnie mierzyli odległości we Wszechświecie, co polega na poleganiu na znacznikach odległości, takich jak zmienne Cefeid - pulsujących gwiazdach, których odległości można wywnioskować porównując ich wewnętrzną jasność z ich pozorną jasnością. Pomiary te są następnie porównywane ze sposobem, w jaki światło z galaktyk odległościowych jest przesunięte na czerwono, aby określić, jak szybko powiększa się przestrzeń między galaktykami.
Z tego wynika pochodna stałej Hubble'a. Aby zbudować swoją odległą drabinę, Riess i jego zespół przeprowadzili pomiary paralaksy za pomocą Wide Field Camera 3 (WFC3) Hubble'a ośmiu nowo przeanalizowanych gwiazd zmiennych Cefeid w Drodze Mlecznej. Gwiazdy te są około 10 razy dalej niż jakiekolwiek dotychczas badane - między 6000 a 12 000 lat świetlnych od Ziemi - i pulsują w dłuższych odstępach czasu.
Aby zapewnić dokładność odpowiadającą za wahania tych gwiazd, zespół opracował także nową metodę, w której Hubble mierzyłby pozycję gwiazdy tysiąc razy na minutę co sześć miesięcy przez cztery lata. Następnie zespół porównał jasność tych ośmiu gwiazd z bardziej odległymi cefeidami, aby upewnić się, że mogą obliczyć odległości do innych galaktyk z większą precyzją.
Dzięki nowej technice Hubble był w stanie uchwycić zmianę położenia tych gwiazd w stosunku do innych, co znacznie uprościło rzeczy. Jak wyjaśnił Riess w komunikacie prasowym NASA:
„Ta metoda umożliwia wielokrotne pomiary bardzo małych przemieszczeń spowodowanych paralaksą. Mierzysz separację między dwiema gwiazdami, nie tylko w jednym miejscu w aparacie, ale ponad i tysiące razy, redukując błędy pomiaru ”.
W porównaniu z poprzednimi badaniami zespół był w stanie zwiększyć liczbę analizowanych gwiazd do odległości nawet 10-krotnie większych. Jednak ich wyniki były również sprzeczne z wynikami uzyskanymi przez satelitę Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), który mierzy kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) - resztkowe promieniowanie powstałe w wyniku Wielkiego Wybuchu - od czasu jego rozmieszczenia w 2009 r.
Poprzez mapowanie CMB, Planck był w stanie prześledzić ekspansję kosmosu podczas wczesnego Wszechświata - około. 378,000 lat po Wielkim Wybuchu. Wynik Plancka przewidywał, że stała wartość Hubble'a powinna teraz wynosić 67 kilometrów na sekundę na megaparsek (3,3 miliona lat świetlnych) i nie może przekraczać 69 kilometrów na sekundę na megaparsek.
Na podstawie swoich badań zespół Riess uzyskał wartość 73 kilometrów na sekundę na megaparsek, co stanowi 9% rozbieżności. Zasadniczo ich wyniki wskazują, że galaktyki poruszają się z większą prędkością niż wynika to z obserwacji wczesnego Wszechświata. Ponieważ dane Hubble'a były tak precyzyjne, astronomowie nie mogą pominąć przerwy między dwoma wynikami jako błędów w żadnym pojedynczym pomiarze lub metodzie. Jak wyjaśnił Reiss:
„Społeczność naprawdę zmaga się ze zrozumieniem znaczenia tej rozbieżności… Oba wyniki zostały przetestowane na wiele sposobów, dzięki czemu wykluczono szereg niepowiązanych błędów. coraz bardziej prawdopodobne jest, że nie jest to błąd, ale cecha wszechświata. ”
Te ostatnie wyniki sugerują zatem, że niektóre nieznane wcześniej siły lub niektóre nowe fizyki mogły działać we Wszechświecie. Jeśli chodzi o wyjaśnienia, Reiss i jego zespół zaoferowali trzy możliwości, z których wszystkie dotyczą 95% Wszechświata, którego nie widzimy (tj. Ciemnej materii i ciemnej energii). W 2011 roku Reiss i dwaj inni naukowcy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie w 1998 roku, że Wszechświat jest w przyspieszonym tempie ekspansji.
Zgodnie z tym sugerują, że Ciemna Energia mogłaby odsuwać galaktyki ze wzrostem siły. Inną możliwością jest to, że istnieje nieodkryta cząstka subatomowa, która jest podobna do neutrina, ale oddziałuje z normalną materią grawitacją zamiast sił subatomowych. Te „sterylne neutrina” podróżowałyby z prędkością bliską prędkości światła i mogłyby być łącznie znane jako „promieniowanie ciemne”.
Każda z tych możliwości oznaczałaby, że zawartość wczesnego Wszechświata była inna, co wymusiłoby ponowne przemyślenie naszych modeli kosmologicznych. Obecnie Riess i koledzy nie mają żadnych odpowiedzi, ale planują kontynuować dostrajanie swoich pomiarów. Jak dotąd zespół SHoES zmniejszył niepewność stałej Hubble'a do 2,3%.
Jest to zgodne z jednym z głównych celów Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, który polegał na zmniejszeniu wartości niepewności w stałej Hubble'a, dla której oszacowania raz różniły się 2-krotnie.
Zatem chociaż ta rozbieżność otwiera drzwi do nowych i trudnych pytań, znacznie zmniejsza naszą niepewność, jeśli chodzi o pomiar Wszechświata. Ostatecznie poprawi to nasze zrozumienie ewolucji Wszechświata po stworzeniu go w ognistym kataklizmie 13,8 miliarda lat temu.
