Nowe pomiary odległości we Wszechświecie dostarczają dowodów na nową fizykę wszechświata
Napisany przez Radosław Kosarzycki dnia 23/02/2018
Astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Hubble’a do wykonania jak dotąd najprecyzyjniejszych pomiarów tempa ekspansji wszechświata od czasu kiedy po raz pierwszy je obliczono prawie sto lat temu. Co ciekawe, wyniki zmuszają astronomów do rozważenia możliwości, że obserwują dowody na coś nieoczekiwanego we wszechświecie.
Jest tak ponieważ najnowsze wyniki pomiarów za pomocą Hubble’a potwierdzają rozbieżność wskazującą, że Wszechświat rozszerza się teraz szybciej niż oczekiwano tego na podstawie jego trajektorii obserwowanej wkrótce po wielkim wybuchu. Badacze wskazują, że być może niezbędne będzie zastosowanie nowej fizyki do wytłumaczenia tych nieścisłości.
„Społeczność naukowców dopiero uświadamia sobie znaczenie tej rozbieżności” mówi główny badacz i laureat nagrody Nobla Adam Riess z STScI oraz Johns Hopkins University.
Zespół Riessa wykorzystuje Hubble’a od ponad sześciu lat precyzując pomiary odległości o galaktyk, wykorzystując ich gwiazdy jako mierniki odległości. Owe pomiary wykorzystywane są do obliczenia prędkości z jaką prędkość rozszerza się na przestrzeni czasu – tak zwanej stałej Hubble’a. Nowe badania rozszerzyły liczbę analizowanych gwiazd do odległości 10 razy większych w przestrzeni niż wcześniejsze wyniki opracowywane za pomocą Hubble’a.
Jednak obliczona przez Riessa wartość wzmacnia rozbieżność względem oczekiwanej wartości wyprowadzonej z obserwacji ekspansji wczesnego wszechświata, 378 000 lat po wielkim wybuchu – gwałtownym zdarzeniu, w którym powstał wszechświat jakieś 13,8 miliarda lat temu. Pomiarów tych dokonał satelita Planck, który mapuje kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, pozostałość po Wielkim Wybuchu. Różnica między tymi dwoma wartościami wynosi około 9 procent. Nowe pomiary za pomocą Hubble’a pomagają umożliwiają zredukowanie szansy na to, że owa rozbieżność wartości jest przypadkowa do 1 na 5000.
Osiągnięte za pomocą Plancka wyniki wskazywały, że wartość stałej Hubble’a powinna wynosić teraz 67 kilometrów na sekundę na megaparsek (3,3 miliona lat świetlnych) i nie może być wyższa niż 69 kilometrów na sekundę na megaparsek. Oznacza to, że na każde 3,3 miliona lat świetlnych odległości od nas, galaktyka porusza sę o 67 km/s szybciej w kierunku o nas. Jednak zespół Riessa zmierzył, że wartość ta wynosi 73 km/s/Mpc, co wskazuje, że galaktyki oddalają się od nas szybciej niż można wnioskować na podstawie obserwacji wczesnego Wszechświata.
Dane z Hubble’a są na tyle precyzyjne, że astronomowie nie mogą uznać luki między tymi dwoma wynikami za błąd któregokolwiek pojedynczego pomiaru czy metody. „Oba wyniki zostały przetestowane wielokrotnie, dzięki czemu mogliśmy wyeliminować przypadkowe pomyłki” tłumaczy Riess. „Coraz większe jest prawdopodobieństwo, że to nie błąd a faktyczna cecha wszechświata”.
Riess opisał kilka możliwych wyjaśnień tej rozbieżności, wszystkie związane w 95 procentach z wszechświatem skrytym w ciemności. Jedna z możliwości mówi, że ciemna energia, o której wiemy że przyspiesza ekspansję kosmosu, może odrzucać galaktyki od siebie z jeszcze większą – lub rosnącą – siłą. Oznacza to, że samo przyspieszenie może nie mieć stałej wartości we wszechświecie, ale zmienia się w czasie. W 1998 roku Riess otrzymał nagrodę Nobla za odkrycie przyspieszania ekspansji.
Kolejny pomysł mówi, że Wszechświat zawiera nową cząstkę subatomową poruszającą się z prędkością bliską prędkości światła. Takie szybkie cząstki zbiorczo nazywa się „ciemnym promieniowaniem” i obejmują one wcześniej znane cząstki takie jak neutrina, które powstają w reakcjach jądrowych i procesach rozpadu radioaktywnego. W przeciwieństwie do normalnych neutrin, na nową cząstkę miałaby wpływ tylko grawitacja. Potencjalną cząstkę nazwano „sterylnym neutrino”.
Inna atrakcyjna możliwość mówi, że ciemna materia (niewidzialna forma materii nie zbudowana z protonów, neutronów i elektronów) oddziałuje silniej z normalną materią i promieniowaniem niż wcześniej zakładano.
Każdy z tych scenariuszy zmieniałby zawartość wczesnego wszechświata co prowadziłoby z kolei do nieścisłości w modelach teoretycznych. Owe nieścisłości prowadziłyby do nieprawidłowej wartości stałej Hubble’a wyprowadzanej na podstawie obserwacji wczesnego wszechświata.
Riess ze współpracownikami nie mają jeszcze żadnej jasnej ścieżki do rozwiązania tego problemu, ale jego zespół będzie kontynuował doprecyzowywanie tempa ekspansji Wszechświata. Jak na razie zespół Riess zwany Supernova H0 for the Equation State (SH0ES) zmniejszył niepewność do 2,3 procent. Przed wyniesieniem Hubble’a w przestrzeń kosmiczną w 1990 roku, szacunki wartości stałej Hubble’a różniły się o czynnik dwa. Jednym z głównych celów Hubble’a było wspomożenie astronomów w obniżaniu wartości tej niepewności do poziomu około 10 procent. Od 2005 roku grupa poszukuje sposobów podwyższania dokładności pomiarów stałej Hubble’a do poziomu, który pozwoli lepiej zrozumieć zachowanie Wszechświata.
Budowanie silnej drabinki odległości
Zespół ma duże sukcesy w precyzowaniu wartości stałej Hubble’a poprzez wygładzanie i wzmacnianie konstrukcji kosmicznej drabinki odległości, której astronomowie używają do mierzenia dokładnych odległości dzielących nas od galaktyk bliskich i dalekich. Badacze porównywali te odległości z ekspansją przestrzeni mierzoną na podstawie wydłużania długości promieniowania docierającego do nas od oddalających się galaktyk. Następnie wykorzystali widoczną prędkość ucieczki galaktyk w każdej odległości do obliczenia stałej Hubble’a.
Jednak wartość stałej Hubble’a może być tylko tak precyzyjna jak precyzyjne mogę być te pomiary. Astronomowie nie mogą skorzystać z miarki, aby sprawdzić bezwzględną odległość między galaktykami. Zamiast tego wybrali specjalne klasy gwiazd i supernowych jako kosmiczne słupki do precyzyjnego mierzenia odległości galaktycznych.
Najbardziej wiarygodne w przypadku krótszych odległości są cefeidy, pulsujące gwiazdy, które jaśnieją i ciemnieją w tempie zależnym od ich bezwzględnej jasności. Ich odległości zatem można wyprowadzić porównując ich jasność bezwzględną z widzianą z Ziemi.
W 1913 roku astronomka Henrietta Leavitt jako pierwsza odkryła potencjał cefeid w pomiarach odległości. Jednak pierwszym krokiem jest pomiar odległości do cefeid niezależnie od jasności, za pomocą paralaksy. Paralaksa to pozorne przesunięcie położenia obiektu na niebie w związku ze zmianą położenia obserwatora. Technika ta została opracowana przez starożytnych Greków do pomiaru odległości z Ziemi do Księżyca.
Najnowsze wyniki Hubble’a opierają się na pomiarach paralaksy ośmiu nowo zbadanych cefeid w Drodze Mlecznej. Owe gwiazdy znajdują się około 10 razy dalej niż jakiekolwiek wcześniej badane, i oddalone są od nas międy 6000 a 12000 lat świetlnych. Pulsują one z dłuższym okresem, tak jak cefeidy obserwowane przez Hubble’a w odległych galaktykach zawierających kolejną wiarygodną linijkę – eksplodujące gwiazdy zwane supernowymi typu Ia. Tego typu supernowe rozbłyskują z jednorodną jasnością i są na tyle jasne, że widać je ze stosunkowo dużych odległości. Wcześniejsze obserwacje Hubble’a obejmowały 10 szybciej pulsujących cefeid znajdujących się od 300 do 1600 lat świetlnych od Ziemi.
Aby zmierzyć paralaksę za pomocą Hubble’a, badacze musieli wyłapać widoczne niewielkie wahania położenia cefeid związane z ruchem obserwatora na Ziemi wokół Słońca. Owe wahnięcia mają rozmiary 1/100 pojedynczego piksela na kamerze teleskopu, co odpowiada rozmiarowi ziarnka piasku widzianego z odległości ponad 160 km.
Dlatego też, aby zapewnić precyzję pomiarów, astronomowie opracowali sprytną metodę, o której nikt nie myślał gdy wynoszono Hubble’a w przestrzeń kosmiczną. Badacze wynaleźli technikę skanowania, w której teleskop mierzył położenie gwiazdy tysiąc razy na minutę co sześć miesięcy przez cztery lata.
Zespół skalibrował rzeczywistą jasność ośmiu wolno pulsujących gwiazd i skorelował je z bardziej odległymi mrugającymi kuzynkami, aby uściślić niedokładności w drabince odległości. Następnie badacze porównali jasność cefeid i supernowych w tych galaktykach z wyższą pewnością, tak aby mogli bardziej dokładnie zmierzyć jasność rzeczywistą, a tym samym obliczyć odległości do setek supernowych w odległych galaktykach.
Kolejną zaletą tego projektu jest fakt, że badacze wykorzystali ten sam instrument – kamerę Wide Field Camera 3 na Hubble’u do skalibrowania jasności tak pobliskich cefeid jak i tych w odległych galaktykach, tym samym eliminując błędy systemowe, które są nieuniknione podczas porównywania pomiarów wykonanych różnymi teleskopami.
„Zazwyczaj, jeżeli co sześć miesięcy starasz się zmierzyć zmianę położenia gwiazdy względem innej na tych odległościach, to będziesz ograniczony zdolnością dostrzeżenia gdzie ta gwiazda się znajduje” mówi Casertano. Wykorzystując nową technikę, Hubble powoli przesuwa się po śledzonym obiekcie i zapisuje go na zdjęciu jako wydłużoną smugę. „Metoda ta pozwala na wielokrotne możliwości pomiaru ekstremalnie małych odchyleń związanych z paralaksą” dodaje Riess.
Celem zespołu jest dalsze redukowanie niepewności za pomocą danych z Hubble’a i obserwatorium kosmicznego Gaia, które mierzy położenie i odległości do gwiazd z niespotykaną dokładnością. „To właśnie precyzji nam potrzeba, aby zdiagnozować powód tych rozbieżności” dodaje Casertano.
Źródło: NASA
http://www.pulskosmosu.pl/2018/02/23/no ... echswiata/www.astrokrak.pl