Oto nowa metoda pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata

Nowa metoda pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata opracowywana przez fizyków może pomóc rozwiązać jedną z największych zagadek dotyczących kosmosu, znaną jako napięcie Hubble’a.

Od dawna astronomowie wiedzą, że Wszechświat się rozszerza i stosują wiele technik do pomiaru obecnego tempa w jakim to robi, jest ono znane jako stała Hubble’a (Hubble constant). Metody te zdaniem badaczy są spójne i oparte na tej samej fizyce, więc wszystkie obserwowane wartości stałej Hubble’a powinny się ze sobą zgadzać. Jednak te pochodzące z danych dotyczących wczesnego Wszechświata nie zgadzają się z tymi, które dotycząc późniejszego kosmosu. Problem ten jest znany jako napięcie Hubble’a (Hubble tension) i jest uważany za jedną z najważniejszych zagadek kosmologii.

W ramach nowego badania, naukowcy z University of Illinois Urbana-Champaign i University of Chicago opracowali nową metodę obliczania stałej Hubble’a przy użyciu fal grawitacyjnych, które są małymi zmarszczkami w strukturze czasoprzestrzeni rozchodzącymi się we Wszechświecie. Astronomom udało się poprawić dokładność wcześniejszych metod pomiaru stałej Hubble’a opartych na falach grawitacyjnych. W miarę jak możliwości obserwacji tych niezwykłych zdarzeń będą się w przyszłości poprawiać, nowa metoda będzie mogła być wykorzystana do jeszcze dokładniejszych pomiarów stałej Hubble’a, przybliżając naukowców do rozwiązania zagadki napięcia Hubble’a. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

„Uzyskanie pasującego pomiaru stałej Hubble’a jest niezwykle ważne, aby rozwiązać obecnie obserwowane napięcie Hubble’a. A nasza nowa metoda to innowacyjny sposób na zwiększenie dokładności wnioskowania o stałej Hubble’a przy użyciu fal grawitacyjnych” –mówi Nicolás Yunes powiedział z University of Illinois Urbana-Champaign.

„Nie każdego dnia powstaje zupełnie nowe narzędzie dla kosmologii. Wskazujemy, że wykorzystując fale grawitacyjne tła (background gravitational-wave) pochodzące z łączenia się czarnych dziur w odległych galaktykach, możemy dowiedzieć się więcej o wieku i składzie Wszechświata. Zastosowanie naszych metod do przyszłych zestawów danych, może pomóc w lepszym poznaniu wartości stałej Hubble’a, a także innych kluczowych wielkości kosmologicznych” – twierdzi Daniel Holz z University of Chicago.

Jak opisują astronomowie, od dawna różne metody wykorzystywane do pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata dzieliły się na dwa główne podejścia – techniki wykorzystujące obserwacje spektroskopowe oraz te oparte na danych z fal grawitacyjnych. W metodzie znanej jako świeca standardowa, naukowcy wykorzystują znane właściwości supernowych, które są niezwykle jasnymi eksplozjami umierających gwiazd, ponieważ zarówno odległość tych zdarzeń od Ziemi, jak i prędkość, z jaką się oddalają, są możliwe do łatwego obliczenia. A te dwie informacje mogą posłużyć badaczom do obliczenia tempa rozszerzania się Wszechświata.

Niedawne wykrycie fal grawitacyjnych umożliwiło opracowanie nowych metod pomiaru stałej Hubble’a. Fale grawitacyjne powstają w wyniku emitujących ogromne ilości energii zderzeń niezwykle gęstych obiektów kosmicznych, takich jak czarne dziury. Te zmarszczki czasoprzestrzeni przypominają koncentryczne fale rozchodzących się po powierzchni stawu po wrzuceniu do niego kamienia. Fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła przez kosmos, aż w końcu mogą zostać wychwycone przez detektory na Ziemi. Globalna sieć wykrywania fal grawitacyjnych jest obsługiwana przez konsorcjum LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).

Jak tłumaczą naukowcy, wykorzystanie fal grawitacyjnych do obliczania stałej Hubble’a jest podobne, jak w przypadku techniki spektroskopowej wykorzystującej supernowe, a odległości do zderzeń czarnych dziur można łatwo wyznaczyć za pomocą metody standardowej syreny, która jest odpowiednikiem standardowej świecy. Jednak prędkości ucieczki, czyli prędkości, z jaką wykryty punkt zderzenia (np. czarnych dziur) oddala się od Ziemi wskutek rozszerzania się Wszechświata, nie może zostać określona bezpośrednio. Aby obliczyć stałą Hubble’a tą techniką, astronomowie muszą albo zidentyfikować światło emitowane przez połączenie, albo znaleźć jego galaktykę macierzystą.

W idealnej sytuacji te różne techniki dawałyby zgodne wartości stałej Hubble’a, lecz jak podkreślają badacze, tak nie jest. Jeśli napięcie Hubble’a nie będzie możliwe do rozwiązania, może to wskazywać na coś dotyczące wczesnego wszechświata, co nie zostało jeszcze odkryte. Zdaniem astronomów, wszystkie różne możliwe rozwiązania napięcia Hubble’a obejmują modyfikację teorii dotyczącej składu energetycznego lub zachowania wczesnego kosmosu, co wyjaśniałoby różnice w mierzonych tempach ekspansji. Proponowane rozwiązania obejmują obecność wczesnej ciemnej energii (early dark energy), teoretycznej siły powodującej przyspieszanie rozszerzania się Wszechświata, albo oddziaływania między ciemną materią, niemożliwą do obserwacji formą materii, która stanowi większość materii we Wszechświecie, a neutrinami, cząstkami elementarnymi oddziałującymi poprzez grawitację, lub też ewoluującą dynamikę ciemnej energii.

W ramach nowego badania, naukowcy zaproponowali innowacyjną metodę pomiaru stałej Hubble’a, która wykorzystywała by zderzenia obiektów kosmicznych, na które sieć LVK nie jest jeszcze wystarczająco czuła, znanych jako tło fal grawitacyjnych (gravitational-wave background).

„Ponieważ obserwujemy pojedyncze zderzenia czarnych dziur, możemy określić częstotliwość ich występowania w całym Wszechświecie. Na tej podstawie zakładamy, że ma miejsce znacznie więcej tego typu zdarzeń, których nie możemy zaobserwować, co nazywamy tłem fal grawitacyjnych” – wyjaśnia Bryce Cousins z University of Illinois Urbana-Champaign.

Astronomowie wykazują, że przy niższych wartościach stałej Hubble’a całkowita objętość przestrzeni, w której zachodziłyby zderzenia, musiałaby być mniejsza, więc gęstość ich występowania powinna być większa. Zwiększałoby to siłę sygnału tła fal grawitacyjnych, dlatego też brak jego detekcji wyklucza niższą wartość stałej Hubble’a.

Badacze nazwali tę nową metodę metodą stochastycznej syreny (stochastic siren method), wskazując, że zderzenia tworzące tło fal grawitacyjnych zachodzą losowo.

Naukowcy zastosowali nową metodę do obecnych danych zebranych przez LVK. Wykazali, że brak detekcji tła fal grawitacyjnych pozwolił dostarczyć dowodów przeciwko wolnemu tempu rozszerzania się Wszechświata. Następnie połączyli metodę stochastycznej syreny z pomiarami stałej Hubble’a z wykrytych pojedynczych zderzeń czarnych dziur, aby uzyskać dokładniejszy pomiar tempa ekspansji. Zdaniem badaczy pokazuje to, że nowa przesuwa zmierzoną wartość stałej Hubble’a w obszar napięcia Hubble’a.

W miarę wzrostu czułości detektorów fal grawitacyjnych ta nowa metoda może zostać wykorzystywana do dalszego udoskonalania pomiarów stałej Hubble’a. Naukowcy zakładają, że tło fal grawitacyjnych zostanie wykryte w ciągu najbliższych sześciu lat. Do tego czasu metoda stochastycznej syreny może powoli pomagać rozwiązywać zagadkę napięcia Hubble’a.

Emil Gołoś