Rozwiązanie jednej z największych tajemnic kosmologii

Badanie przeprowadzone przez uniwersytety w Bonn i St Andrews sugeruje możliwe nowe wyjaśnienie jittera Hubble’a.

Wszechświat się rozszerza. Szybkość tego zjawiska opisuje tak zwana stała Hubble’a-Lametera. Nie ma jednak zgody co do prawdziwego rozmiaru tej stałej: różne metody pomiaru dostarczają sprzecznych wartości. To tak zwane „napięcie Hubble’a” stanowi dla kosmologów zagadkę. Teraz badacze z uniwersytetów w Bonn i St Andrews proponują nowe rozwiązanie: wykorzystując alternatywną teorię grawitacji, rozbieżność w zmierzonych wartościach można łatwo wyjaśnić – znika jitter Hubble’a. Badanie zostało obecnie opublikowane w Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego (MNRAS).

Zrozumienie ekspansji wszechświata

Ekspansja Wszechświata powoduje, że galaktyki oddalają się od siebie. Szybkość, z jaką to robią, jest proporcjonalna do odległości między nimi. Na przykład, jeśli Galaktyka A ​​jest dwa razy dalej od Ziemi niż Galaktyka B, to jej odległość od nas również rośnie dwa razy szybciej. Amerykański astronom Edwin Hubble był jednym z pierwszych, którzy dostrzegli to powiązanie.

Aby obliczyć, jak szybko dwie galaktyki oddalają się od siebie, należy wiedzieć, jak daleko się od siebie znajdują. Wymaga to jednak również stałej, przez którą należy pomnożyć tę odległość. Jest to tak zwana stała Hubble’a-Lametera, która jest podstawowym parametrem w kosmologii. Jego wartość można określić na przykład patrząc na bardzo odległe rejony wszechświata. Daje to prędkość około 244 000 kilometrów na godzinę na godzinę megaparsek Odległość (jeden megaparsek to nieco ponad trzy miliony lat świetlnych).

(Niebieskie; żółte kropki reprezentują poszczególne galaktyki.) Droga Mleczna (zielona) znajduje się w obszarze zawierającym niewielką ilość materii. Galaktyki w bąblu zmierzają w kierunku wyższych gęstości materii (czerwone strzałki). Dlatego wydaje się, że wewnątrz bańki wszechświat rozszerza się szybciej. Źródło obrazu: A.G. Krupa/Uniwersytet w Bonn

Niespójność pomiarów

„Ale można także przyjrzeć się obiektom niebieskim, które są znacznie bliżej nas – tak zwanym supernowym klasy 1A, które są szczególnym rodzajem eksplodujących gwiazd” – wyjaśnia profesor dr Pavel Krupa z Instytutu Promieniowania i Fizyki Jądrowej im. Helmholtza w Helmholtz Uniwersytet. Uniwersytet w Bonn. Możliwe jest bardzo dokładne określenie odległości Supernowej 1a od Ziemi. Wiemy również, że jasne obiekty zmieniają kolor w miarę oddalania się od nas, a im szybciej się poruszają, tym silniejsza jest ta zmiana. Przypomina to sytuację karetki pogotowia, której syreny brzmią głębiej w miarę oddalania się od nas.

Jeśli teraz obliczymy prędkość supernowej 1a na podstawie zmiany koloru i odniesiemy to do odległości, otrzymamy inną wartość stałej Hubble’a-Lametera – nieco poniżej 264 000 kilometrów na godzinę na milion parseków odległości. „Wydaje się, że Wszechświat rozszerza się szybciej w naszym bezpośrednim sąsiedztwie – w odległości około trzech miliardów lat świetlnych – niż w całości” – mówi Krupa. „A to naprawdę nie powinno mieć miejsca”.

Jednak niedawno pojawiła się obserwacja, która może to wyjaśnić. Zgodnie z tym Ziemia znajduje się w obszarze przestrzeni, w którym jest stosunkowo mało materii, co przypomina pęcherzyk powietrza w torcie. Gęstość materii jest większa wokół bańki. Z otaczającej materii wyłaniają się siły grawitacyjne, które przyciągają galaktyki w bąblu w stronę krawędzi wnęki. „Dlatego oddalają się od nas szybciej, niż się spodziewano” – wyjaśnia dr Indranil Banik z Uniwersytetu St Andrews. Anomalie można zatem po prostu wyjaśnić lokalnym „spadkiem gęstości”.

W rzeczywistości inna grupa badawcza zmierzyła niedawno średnią prędkość dużej liczby galaktyk oddalonych o 600 milionów lat świetlnych. „Odkryto, że galaktyki te oddalają się od nas cztery razy szybciej, niż pozwala na to standardowy model kosmologii” – wyjaśnia Siergiej Mazurenko z grupy badawczej Krupy, który brał udział w bieżących badaniach.

Bańka w cieście wszechświata

Dzieje się tak dlatego, że Model Standardowy nie przewiduje tak małych gęstości lub „pęcherzyków” – w rzeczywistości nie powinny one istnieć. Zamiast tego materiał powinien być równomiernie rozłożony w przestrzeni. Gdyby jednak tak było, trudno byłoby wyjaśnić siły, które popychają galaktyki do dużej prędkości.

„Model Standardowy opiera się na teorii natury grawitacji Alberta Einsteina” – mówi Krupa. „Jednak siły grawitacyjne mogą zachowywać się inaczej, niż przewidywał Einstein”. Grupy robocze z uniwersytetów w Bonn i St Andrews wykorzystały zmodyfikowaną teorię grawitacji w symulacji komputerowej. Ta „Zmodyfikowana Dynamika Newtona” (w skrócie: MOND) została zaproponowana cztery dekady temu przez izraelskiego fizyka, profesora dr Mordehai Milgroma. Do dziś uważana jest za teorię zewnętrzną. „W naszych obliczeniach MOND dokładnie przewiduje istnienie takich bąbelków” – mówi Krupa.

Gdyby przyjąć, że grawitacja faktycznie zachowuje się zgodnie z założeniami Milgroma, napięcie Hubble’a znikłoby: w rzeczywistości istniałaby tylko jedna stała ekspansji Wszechświata, a obserwowane odchylenia wynikałyby z nieregularnego rozkładu materii.

Odniesienie: „Jednoczesne rozwiązanie tensora Hubble’a i obserwowanego strumienia objętościowego w ciągu 250 godzin -1 megaparsek” Sergey Mazurenko, Indranil Banik, Pavel Krupa i Moritz Hasselbauer, 02 listopada 2023 r., Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
doi: 10.1093/mnras/stad3357

Oprócz Uniwersytetu w Bonn w badaniu wzięły także udział Uniwersytet St. Andrews (Szkocja) i Uniwersytet Karola w Pradze (Czechy). Prace sfinansowała brytyjska Rada ds. Obiektów Naukowo-Technologicznych.