Wszechświat okazał się zły

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Kosmologowie stają przed poważnym problemem naukowym, który wskazuje na niedoskonałość ludzkiej wiedzy o Wszechświecie. Złożoność dotyczy tak pozornie banalnej rzeczy, jak tempo ekspansji Wszechświata. Faktem jest, że różne metody wskazują na różne znaczenia - i jak dotąd nikt nie potrafi wyjaśnić dziwnej rozbieżności.

Kosmiczna tajemnica

Obecnie standardowy model kosmologiczny „Lambda-CDM” (ΛCDM) najdokładniej opisuje ewolucję i strukturę wszechświata. Zgodnie z tym modelem, wszechświat ma niezerową dodatnią stałą kosmologiczną (termin lambda) powodującą przyspieszoną ekspansję. Ponadto ΛCDM wyjaśnia obserwowaną strukturę CMB (kosmiczne tło mikrofalowe), rozkład galaktyk we Wszechświecie, obfitość wodoru i innych lekkich atomów oraz samą szybkość rozszerzania się próżni. Jednak poważna rozbieżność w tempie ekspansji może wskazywać na potrzebę radykalnej zmiany modelu.

Fizyk teoretyczny Vivian Poulin z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i Laboratorium Wszechświata i Cząstek w Montpellier przekonuje, że oznacza to, że w młodym wszechświecie wydarzyło się coś ważnego, o czym jeszcze nie wiemy. Być może było to zjawisko związane z nieznanym rodzajem ciemnej energii lub nowym rodzajem cząstek subatomowych. Jeśli model weźmie to pod uwagę, rozbieżność zniknie.

Na skraju kryzysu

Jednym ze sposobów określenia tempa rozszerzania się Wszechświata jest badanie tła mikrofalowego – promieniowania reliktowego, które powstało 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. ΛCDM może być wykorzystany do uzyskania stałej Hubble'a poprzez pomiar dużych fluktuacji CMB. Okazało się, że wynosi ona 67, 4 kilometry na sekundę na każdy megaparsek, czyli około trzech milionów lat świetlnych (przy takiej prędkości obiekty rozchodzą się od siebie w odpowiedniej odległości). W tym przypadku błąd wynosi tylko 0,5 kilometra na sekundę na megaparsek.

Jeśli uzyskamy mniej więcej tę samą wartość inną metodą, potwierdzi to słuszność standardowego modelu kosmologicznego. Naukowcy zmierzyli pozorną jasność świec standardowych - obiektów, których jasność jest zawsze znana. Takimi obiektami są na przykład supernowe typu Ia - białe karły, które nie mogą już absorbować materii z dużych gwiazd towarzyszących i eksplodować. Na podstawie pozornej jasności świec standardowych można określić odległość do nich. Równolegle można zmierzyć przesunięcie ku czerwieni supernowych, czyli przesunięcie długości fal światła do czerwonego obszaru widma. Im większe przesunięcie ku czerwieni, tym większa prędkość, z jaką obiekt jest usuwany z obserwatora.

W ten sposób możliwe staje się wyznaczenie tempa rozszerzania się Wszechświata, które w tym przypadku okazuje się równe 74 kilometrom na sekundę na każdy megaparsek. Nie odpowiada to wartościom uzyskanym z ΛCDM. Jest jednak mało prawdopodobne, aby błąd pomiaru mógł wyjaśnić tę rozbieżność.

Według Davida Grossa z Instytutu Fizyki Teoretycznej Kavli na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara taka rozbieżność w fizyce cząstek elementarnych nie byłaby nazywana problemem, ale kryzysem. Jednak wielu naukowców nie zgodziło się z tą oceną. Sytuację komplikowała inna metoda, również oparta na badaniu wczesnego Wszechświata, a mianowicie barionowe oscylacje akustyczne – oscylacje gęstości widzialnej materii wypełniającej wczesny Wszechświat. Wibracje te są powodowane przez fale akustyczne plazmy i mają zawsze znane wymiary, dzięki czemu wyglądają jak standardowe świece. W połączeniu z innymi pomiarami dają stałą Hubble'a zgodną z ΛCDM.

Nowy model

Istnieje możliwość, że naukowcy popełnili błąd podczas używania supernowych typu Ia. Aby określić odległość do odległego obiektu, musisz zbudować drabinę dystansową.

Pierwszy szczebel tej drabiny to cefeidy – gwiazdy zmienne o dokładnej relacji okres-jasność. Cefeidy można wykorzystać do określenia odległości do najbliższej supernowej typu Ia. W jednym z badań zamiast cefeid użyto czerwonych olbrzymów, które na pewnym etapie życia osiągają maksymalną jasność – jest tak samo dla wszystkich czerwonych olbrzymów.

W rezultacie stała Hubble'a wyniosła 69,8 kilometrów na sekundę na megaparsek. Nie ma kryzysu – mówi Wendy Freedman z University of Chicago, jedna z autorek artykułu.

Ale to stwierdzenie również zostało zakwestionowane. W ramach współpracy H0LiCOW zmierzono stałą Hubble'a za pomocą soczewkowania grawitacyjnego, efektu, który występuje, gdy masywne ciało zagina promienie odległego obiektu znajdującego się za nim. Te ostatnie mogą być kwazarami - jądrami aktywnych galaktyk zasilanych przez supermasywną czarną dziurę. Dzięki soczewkom grawitacyjnym może pojawić się jednocześnie kilka obrazów jednego kwazara. Mierząc migotanie tych obrazów, naukowcy wyprowadzili zaktualizowaną stałą Hubble'a wynoszącą 73,3 kilometrów na sekundę na megaparsek. Jednocześnie naukowcy do końca nie znali możliwego wyniku, co wyklucza możliwość oszustwa.

Wynik pomiaru stałej Hubble'a z naturalnych maserów powstałych podczas wirowania gazu wokół czarnej dziury wyniósł 74 kilometry na sekundę na megaparsek. Inne metody dawały 76,5 i 73,6 kilometrów na sekundę na megaparsek. Problemy pojawiają się również przy pomiarach rozkładu materii we Wszechświecie, ponieważ soczewkowanie grawitacyjne daje inną wartość niż pomiary mikrofalowego tła.

Jeśli okaże się, że rozbieżność nie jest spowodowana błędami pomiarowymi, to potrzebna będzie nowa teoria wyjaśniająca wszystkie obecnie dostępne dane. Jednym z możliwych rozwiązań jest zmiana ilości ciemnej energii powodującej przyspieszoną ekspansję wszechświata. Chociaż większość naukowców opowiada się za rezygnacją z aktualizacji fizyki, problem pozostaje nierozwiązany.