12 marca 2020

Czy rozwiązano tajemnicę ekspansji Wszechświata?

Badacz z Uniwersytetu Genewskiego rozwiązał naukową kontrowersję dotyczącą tempa ekspansji Wszechświata, sugerując, że na dużą skalę nie jest ono całkowicie jednorodne.



Ziemia, Układ Słoneczny, cała Droga Mleczna i kilka tysięcy najbliższych nam galaktyk porusza się w ogromnym „bąblu” o średnicy 250 mln lat świetlnych, gdzie średnia gęstość materii jest o połowę mniejsza niż w pozostałej części Wszechświata. Taka jest hipoteza wysunięta przez fizyka teoretyka z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) jako rozwiązanie zagadki, która od dziesięcioleci dzieli społeczność naukową: z jaką prędkością rozszerza się Wszechświat? Do tej pory co najmniej dwie niezależne metody obliczeniowe osiągnęły dwie wartości różniące się o około 10% z odchyleniem, które jest statystycznie nie do pogodzenia. Nowe podejście usuwa tę rozbieżność bez korzystania z „nowej fizyki”.

Wszechświat rozszerza się od czasu Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce 13,8 mld lat temu – propozycja po raz pierwszy przedstawiona przez belgijskiego kanonika i fizyka Georgesa Lemaître’a (1894 – 1966), i po raz pierwszy zademonstrowana przez Edwina Hubble’a (1889 – 1953). Ten amerykański astronom w 1929 roku odkrył, że każda galaktyka oddala się od nas i że najodleglejsze z nich poruszają się najszybciej. Sugeruje to, że w przeszłości był czas, kiedy wszystkie galaktyki znajdowały się w tym samym miejscu, czas, który może odpowiadać tylko Wielkiemu Wybuchowi. W wyniku tych badań powstało prawo Hubble’a-Lemaître’a, włącznie ze stałą Hubble’a (H0), która oznacza tempo ekspansji Wszechświata. Najlepsze szacunki H0 wynoszą obecnie ok. 70 km/s/Mpc (co oznacza, że Wszechświat rozszerza się o 70 km/s szybciej co 3,26 mln lat świetlnych). Problem polega na tym, że istnieją dwie sprzeczne metody obliczeń.

Pierwsza oparta jest o kosmiczne mikrofalowe tło, które dociera do nas zewsząd a wyemitowane zostało w momencie, gdy Wszechświat stał się wystarczająco zimny, aby światło mogło wreszcie swobodnie krążyć (ok. 370 000 lat po Wielkim Wybuchu). Korzystając z dokładnych danych dostarczonych przez misję kosmiczną Planck oraz biorąc pod uwagę fakt, że Wszechświat jest jednorodny i izotropowy, dla H0 wartość 67,4 uzyskiwana jest przy użyciu ogólnej teorii względności. Druga metoda obliczeń oparta jest na supernowych, które sporadycznie pojawiają się w odległych galaktykach. Te bardzo jasne zdarzenia zapewniają bardzo precyzyjne pomiary odległości, co umożliwiło określenie wartości H0 na 74.

Lucas Lombriser, profesor na Wydziale Fizyki Teoretycznej na Wydziale Nauk UNIGE, wyjaśnia: „Te dwie wartości stawały się coraz bardziej precyzyjne z biegiem lat, pozostając jednak odmiennymi. Nie wymagało zbyt wiele czasu, aby wywołać naukowe kontrowersje, a nawet wzbudzić ekscytującą nadzieję, że być może mamy do czynienia z ‘nową fizyką’.” Aby ograniczyć tę lukę, prof. Lombriser rozważył ideę, że Wszechświat nie jest tak jednorodny, jak twierdzono, hipoteza, która może się wydawać oczywista na stosunkowo małych skalach. Nie ma wątpliwości, że materia w galaktyce rozkłada się inaczej, niż poza nią. Trudniej jest jednak wyobrazić sobie wahania średniej gęstości materii obliczonej na objętościach tysiące razy większych niż galaktyka.

„Gdybyśmy znajdowali się w czymś w rodzaju olbrzymiej ‘bańki’, gdzie gęstość materii byłaby znacznie niższa niż znana gęstość dla całego Wszechświata, miałoby to wpływ na odległości supernowych i ostateczne określenie wartości H0” – dodaje prof. Lombriser.

Wystarczyłoby, aby ta „bańka Hubble’a” była wystarczająco duża, aby obejmować galaktykę, która służy jako punkt odniesienia do pomiaru odległości we Wszechświecie. Ustalając średnicę na 250 mln lat świetlnych dla takiej bańki, fizyk obliczył, że jeżeli gęstość materii w jej wnętrzu byłaby o 50% mniejsza niż dla reszty Wszechświata, to uzyskano by nową wartość dla stałej Hubble’a, która wówczas byłaby zgodna z tą uzyskaną za pomocą pomiarów kosmicznego mikrofalowego tła.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Gwiazda z dyskiem pyłowym zasilanym przez otaczającą materię

Międzynarodowy zespół astronomów publikuje obraz młodej gwiazdy z otaczającym ją dyskiem pyłowym, który wciąż jest zasilany z otoczenia. Zja...