Největší krize v dějinách kosmologie by konečně mohla mít řešení

Přetrvávající, nepříjemný problém s rychlostí rozpínání vesmíru nemusí vyžadovat přepsání všeho, co víme o fyzice. Nová měření provedená pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba naznačují, že se od nás místní vesmír vzdaluje rychlostí přibližně 70 kilometrů (asi 43 mil) za sekundu na megaparsek.

Pokud je to pravda, je to obrovský problém. Mohlo by to konečně vyřešit rozpor mezi měřeními zrychlujícího se rozpínání vesmíru, který vědce trápí už více než sto let: Hubblovo napětí, někdy nazývané největší krizí kosmologie. Než budeme moci prohlásit problém za definitivně vyřešený, budeme potřebovat ještě hodně práce, ale nová měření, provedená pomocí tří různých druhů hvězd, by mohla být významným krokem vpřed. Výsledky byly předloženy časopisu The Astrophysical Journal a jsou k dispozici na arXiv.

„Na základě těchto nových dat z JWST a za použití tří nezávislých metod nenacházíme silné důkazy pro Hubblovo napětí,“ říká astronomka Wendy Freedmanová z Chicagské univerzity. „Naopak to vypadá, že náš standardní kosmologický model vysvětlující vývoj vesmíru obstojí.“ Jde o tohle. Vesmír se rozpíná zrychlujícím se tempem, které je známé jako Hubbleova konstanta. K výpočtu této konstanty můžeme použít různé druhy pozorovatelných veličin, z nichž každá poskytuje vlastní míru.

K pozorovatelným veličinám z raného vesmíru patří kosmické mikrovlnné pozadí, to jsou zbytky mikrovlnného záření z prvního světla, které proudilo vesmírem – a baryonové akustické oscilace, což jsou vzorce v rozpětí vzdálených galaxií, které odpovídají vlnám, jež se kdysi vlnily v raném vesmíru. Tyto dva signály jsou známé jako standardní pravítka, protože víme, jak jsou velké. Umožňují nám přímo získat přesná měření vzdáleností a naznačují, že vesmír se rozpíná zrychlujícím se tempem přibližně 67,4 kilometrů za sekundu na megaparsek.

Signály z blízkého vesmíru jsou známé jako standardní svíčky. Jedná se o objekty se známou vlastní jasností, jako jsou proměnné hvězdy typu Cefeidy a supernovy typu Ia. Protože víme, jak jsou jasné, můžeme přesně vypočítat i jejich vzdálenost. A podle nich je Hubbleova konstanta přibližně 74 kilometrů za sekundu na megaparsek. Oba typy měření mají chybové úsečky, které se navzájem překrývají, takže tento rozpor neznamená konec kosmologie, jak ji známe. Bylo by však opravdu hezké, kdybychom se s jistotou zastavili u přesnějšího údaje o rychlosti rozpínání. Nebo, pokud existuje více rychlostí rozpínání, vysvětlení, proč se různé části vesmíru rozpínají různě.

Freedman již několik let pracuje na měření Hubbleovy konstanty pomocí jiných metod, než jsou tradiční standardní svíčky. Zaměřuje se zejména na hvězdy na konci větve červených obrů neboli TRGB hvězdy. Tyto hvězdy dosahují jednotné velikosti a jasnosti, což z nich činí přesný nástroj pro měření vzdálenosti blízkých galaxií. Pomocí pozorování z různých přístrojů, jako jsou Hubble a Gaia, provedla Freedmanová a její kolegové několik měření TRGB, která přinesla Hubbleovu konstantu kolem 69 až 70 kilometrů za sekundu na megaparsek.

Na scénu přichází vesmírný dalekohled Jamese Webba, který je nejvýkonnějším vesmírným teleskopem, jaký kdy byl nasazen. Freedmanová a její tým jej nyní využili také k měření TRGB hvězd, ale i proměnných hvězd typu Cefeid a typu obřích hvězd bohatých na uhlík, které jsou podle nich na základě své stabilní jasnosti novým typem standardní svíčky.

Nezávislým měřením vzdáleností všech tří hvězd získali vědci množství dat, která mohli použít ke křížové kontrole systematických chyb a získat tak nezávislé měření Hubblovy konstanty. Pro hvězdy TRGB získali vědci hodnotu 69,85 kilometrů za sekundu na megaparsek. Pro uhlíkové hvězdy získali hodnotu 67,96. Proměnné cefeidy se trochu vymykaly hodnotou 72,05, ale chybové úsečky pro všechny tři se překrývají. „Získání dobré shody u tří zcela odlišných typů hvězd je pro nás silným ukazatelem, že jsme na správné cestě,“ říká Freedman.

Ještě nejsme z nejhoršího venku. Přestože měření spadá do chybových úseček standardních pravítek i standardních svíček, odvozovali jsme různé hodnoty příliš dlouho na to, abychom tento problém vyřešili tak náhle. Ve skutečnosti bylo právě na začátku tohoto roku měření JWST u proměnných hvězd typu Cefeidy a supernov typu Ia použito k potvrzení Hubblova měření 73 kilometrů za sekundu na megaparsek.

Budeme tedy potřebovat mnohem více měření, přeměřování a opětovného měření. Jen pro jistotu. Přesto nová čísla naznačují, že proměnné mezi různými pozorovatelnými veličinami by stále mohly skutečně vysvětlovat rozpor, aniž by bylo nutné zavádět nějaké zásadní nové teorie. Přesto, kdo ví? Možná při hledání odpovědi přece jen narazíme na nějakou novou fyziku.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: arxiv.org, news.uchicago.edu, universemagazine.com