Teleskop Jamesa Webba pogłębia tajemnicę ekspansji wszechświata

Jest mało prawdopodobne, aby jitter Hubble’a był wynikiem błędów obserwacyjnych

Wiele obserwacji astronomicznych wykazało, że Wszechświat rozszerza się w taki sposób, że dowolne dwa ciała niebieskie, które nie są powiązane grawitacyjnie, takie jak gwiazdy i galaktyki, oddalają się od siebie z szybkością proporcjonalną do odległości między nimi – im dalej od siebie. oni są. , tym szybciej się rozchodzą.

Ta właściwość czasoprzestrzeni jest zgodna z naszym teoretycznym rozumieniem ewolucji Wszechświata, opartym na ogólnej teorii względności Einsteina. W tej teorii tempo ekspansji opisuje stała Hubble’a, nazwana na cześć amerykańskiego astronoma Edwina Hubble’a, który dokonał pionierskich obserwacji na początku XX wieku, które dostarczyły mocnych dowodów na tę ekspansję.

Stałą Hubble’a można zmierzyć na kilka różnych sposobów i chociaż wszystkie dają w przybliżeniu tę samą wartość, istnieje niewielka, ale zauważalna różnica między tymi wartościami. Wielu spekuluje, że może to wskazywać na pewne luki w naszym rozumieniu wszechświata na najgłębszym poziomie.

Aby dowiedzieć się, czy ta rozbieżność, zwana napięciem Hubble’a, faktycznie występuje, czy jest jedynie wynikiem błędów obserwacyjnych, zespół badaczy ze Stanów Zjednoczonych i Szwajcarii wykorzystał obserwacje wykonane przez Teleskop Jamesa Webba, który został wystrzelony w przestrzeń kosmiczną pod koniec 2021. Zespół kierowany przez Adama Reesa, laureata Nagrody Nobla na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, stworzył to obserwatorium kosmiczne do badania ponad 300 dziwnych gwiazd zwanych cefeidami (w skrócie cefeidami).

„Określona klasa gwiazd, cefeidy, zapewnia nam najdokładniejsze pomiary odległości od ponad stulecia, ponieważ gwiazdy te są niezwykle jasne: są to gwiazdy olbrzymy, których jasność jest sto tysięcy razy większa od Słońca” – wyjaśnił Rees w swojej książce artykuł. komunikat prasowy. „Co więcej, pulsują (tj. rozszerzają się i kurczą) przez okres tygodni, wskazując ich względną jasność. Im dłuższy ten okres, tym stają się jaśniejsze”.

Problem z Hubblem

Naukowcy dobrze rozumieją, w jaki sposób gwiazda cefeida pulsuje swoją jasnością, co pozwoliło im wydedukować związek pomiędzy okresem pulsacji a maksymalną jasnością gwiazdy. Porównując obliczoną jasność z tym, co widzimy obserwując gwiazdę z Ziemi, można dokładnie obliczyć odległość do tej gwiazdy.

Teleskop Hubble’a wykorzystał te znane odległości do cefeid do obliczenia tempa ekspansji Wszechświata. Gdy światło przemieszcza się przez rozszerzający się wszechświat, jego długość fali zaczyna się rozciągać, co jest zjawiskiem znanym jako przesunięcie ku czerwieni. Na podstawie wartości przesunięcia ku czerwieni astrofizycy mogli stwierdzić, kiedy światło przemieszcza się z cefeidy, co pozwoliło im obliczyć tempo rozszerzania się Wszechświata.

Jednak wynik Hubble’a różnił się nieco od tego, co astrofizycy wywnioskowali z kosmicznego mikrofalowego tła, czyli promieniowania elektromagnetycznego, które przenika wszechświat i które pozostało mniej więcej w czasie Wielkiego Wybuchu.

Nowy Teleskop Jamesa Webba ma znacznie większe zwierciadło, dzięki czemu jest znacznie czulszy niż Hubble. Naukowcy mieli nadzieję, że pomoże to rozwiązać poważny problem związany z obserwacjami cefeid za pomocą Hubble’a, a mianowicie niemożność wiarygodnego rozróżnienia światła emitowanego przez te odległe gwiazdy od promieniowania innych obiektów znajdujących się w tym samym polu widzenia. Być może, gdyby można było usunąć to światło tła, można by pogodzić obliczone szybkości ekspansji, przypisując wcześniejsze rozbieżności błędowi eksperymentalnemu.

Odsłania się głębsza tajemnica

Co ciekawe (a może rozczarowujące) obserwacje grupy Reesa nie eliminowały rozbieżności, a raczej je pogłębiały. Pomiary stałej Hubble’a wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dały w przybliżeniu tę samą wartość, co teleskop Hubble’a, aczkolwiek z mniejszym błędem. To sprawia, że ​​jest mało prawdopodobne, aby rozbieżność wynikała z błędu pomiaru, i oznacza, że ​​nasze rozumienie ewolucji Wszechświata i rządzących nim praw może wymagać znacznych modyfikacji.

„Może to wskazywać na istnienie egzotycznej ciemnej energii, egzotycznej ciemnej materii, rewizję naszego rozumienia grawitacji lub istnienie unikalnej cząstki lub pola” – podsumował Rees. „Najprostszym wyjaśnieniem jest to, że wiele błędów pomiarów zbiega się w tym samym kierunku (astronomowie wykluczyli jeden błąd, stosując niezależne kroki), dlatego tak ważne jest dokładniejsze powtarzanie pomiarów.

„Potwierdzając pomiary Hubble’a, pomiary Webba dostarczają najmocniejszego jak dotąd dowodu na to, że błędy systematyczne w fotometrii cefeidy Hubble’a nie odgrywają znaczącej roli w obecnym jitterze Hubble’a. W rezultacie najciekawsze możliwości pozostają na stole, a tajemnica jittera się pogłębia. „

Pomimo znacznego wzrostu dokładności w porównaniu z poprzednimi pomiarami zespół wierzy, że będzie w stanie ją jeszcze zwiększyć. Zespół planuje przeanalizować więcej obiektów cefeid, a także zbadać inne obiekty kosmiczne, które można wykorzystać do pomiaru tempa ekspansji Wszechświata, takie jak czerwone olbrzymy. Miejmy nadzieję, że ta dogłębna analiza pozwoli w końcu ustalić, dlaczego Hubble jest tak zdenerwowany.

źródło: Adam J. Rees i in., „Koniec ze stłoczeniem: dokładność stałej Hubble’a została przetestowana podczas obserwacji cefeid w wysokiej rozdzielczości za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba„,” [arXiv:2307.15806] (2023), DOI: 10.48550/arxiv.2307.15806.

Źródło obrazu: Geralt na Pixabay