W ostatnich latach astronomia przeżyła mały kryzys: chociaż wiemy, że Wszechświat się rozszerza i chociaż z grubsza wiemy, jak szybko to się dzieje, dwa podstawowe sposoby pomiaru tej ekspansji nie są ze sobą zgodne. Teraz astrofizycy z Instytutu Nielsa Bohra proponują nową metodę, która może pomóc rozwiązać to napięcie.
Wszechświat się rozszerza
Wiemy o tym odkąd Edwin Hubble i inni astronomowie około 100 lat temu zmierzyli prędkości wielu otaczających je galaktyk. Galaktyki we wszechświecie są „odsuwane” od siebie w wyniku tej ekspansji i dlatego oddalają się od siebie.
Im większa odległość między dwiema galaktykami, tym szybciej się od siebie oddalają, a dokładna prędkość tego ruchu jest jedną z najbardziej podstawowych wielkości współczesnej kosmologii. Liczba opisująca ekspansję nazywana jest stałą Hubble’a i pojawia się w wielu różnych równaniach i modelach Wszechświata i jego składników.
Problem Hubble’a
Aby zrozumieć wszechświat, musimy znać stałą Hubble’a tak dokładnie, jak to możliwe. Można to zmierzyć na kilka sposobów; Metody są od siebie niezależne, ale na szczęście dają prawie taki sam wynik.
To znaczy, prawie…
W zasadzie najłatwiejszym intuicyjnym sposobem zrozumienia jest ta sama metoda, którą Edwin Hubble i jego współpracownicy zastosowali sto lat temu: lokalizowanie grupy galaktyk oraz mierzenie ich odległości i prędkości. W praktyce robi się to poprzez poszukiwanie galaktyk z eksplodującymi gwiazdami, czyli tzw Supernowe. Uzupełnieniem tej metody jest inna metoda, która analizuje nieprawidłowości w tzw Kosmiczne promieniowanie tła; Starożytna forma światła, której początki sięgają czasów późniejszych wielka eksplozja.
Obie metody – metoda supernowej i metoda promieniowania tła – zawsze dawały nieco inne wyniki. Jednak każdy pomiar wiąże się z niepewnością, a kilka lat temu niepewność była na tyle duża, że mogliśmy winić ich za rozbieżności.
Jednakże w miarę udoskonalania technik pomiarowych niepewność zmalała i doszliśmy do punktu, w którym możemy z dużą pewnością stwierdzić, że żadna z tych wartości nie może być prawdziwa.
Źródło tego „problemu Hubble’a” – czy nieznane efekty systematycznie wpływają na jeden z wyników, czy też wskazuje na nową fizykę, która nie została jeszcze odkryta – jest obecnie jednym z najgorętszych tematów w astronomii.
Utrzymujący się paradoks Hubble’a
Ekspansję Wszechświata mierzy się w „prędkości na odległość”, która wynosi nieco ponad 20 kilometrów na sekundę na milion lat świetlnych. Oznacza to, że galaktyka oddalona o 100 milionów lat świetlnych oddala się od nas z prędkością 2000 km/s, natomiast inna galaktyka oddalona o 200 milionów lat świetlnych oddala się od nas z prędkością 4000 km/s.
Jednak wykorzystanie supernowych do pomiaru odległości i prędkości galaktyk daje wynik 22,7 ± 0,4 km/s, podczas gdy analiza kosmicznego promieniowania tła daje wynik 20,7 ± 0,2 km/s.
Zwracanie uwagi na tak drobną różnicę zdań może wydawać się nudne, ale może być bardzo ważne. Na przykład liczba ta pojawia się przy obliczaniu wieku Wszechświata, a obie metody dają wiek odpowiednio 12,8 i 13,8 miliarda lat.
Kilonova: nowe podejście do pomiaru
Jednym z największych wyzwań jest dokładne określenie odległości do galaktyk. Jednak w nowym badaniu Albert Snippen, doktorant astrofizyki w Centrum Kosmicznego Świtu w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze, proponuje nowy sposób pomiaru odległości, który mógłby pomóc w rozstrzygnięciu toczącego się sporu.
„Kiedy dwie niezwykle zwarte gwiazdy neutronowe – będące pozostałościami supernowych – krążą wokół siebie i ostatecznie łączą się, eksplodują w wyniku nowej eksplozji, zwanej kilonową” – wyjaśnia Albert Snepen. „Niedawno pokazaliśmy, jak niezwykle symetryczna jest ta eksplozja, i okazuje się, że „Ta symetria jest nie tylko piękna, ale także niezwykle użyteczna”.
W Trzecie badanie Właśnie opublikowana płodna doktorantka pokazuje, że kilonowe, choć złożone, można opisać za pomocą jednej temperatury. Okazuje się, że symetria i prostota kilonowej pozwalają astronomom dokładnie wywnioskować, ile emituje światła.
Porównując tę jasność z ilością światła docierającego do Ziemi, badacze mogą obliczyć, jak daleko znajduje się kilonowa. W ten sposób uzyskali nową, niezależną metodę obliczania odległości do galaktyk zawierających kilonowe.
Darach Watson jest profesorem nadzwyczajnym w Cosmic Dawn Center i współautorem badania. „Supernowe, które dotychczas wykorzystywano do pomiaru odległości między galaktykami, nie zawsze emitują tę samą ilość światła” – wyjaśnia. „Co więcej, wymagają one od nas najpierw skalibrowania odległości przy użyciu innego typu gwiazd, zwanych cefeidami, które z kolei również muszą zostać skalibrowane.” Używając kilonowych możemy ominąć te komplikacje, które powodują niepewność pomiarów.
Wstępne wyniki i dalsze kroki
Aby udowodnić swój potencjał, astrofizycy zastosowali tę metodę do kilonowej odkrytej w 2017 roku. W rezultacie otrzymano stałą Hubble’a bliższą metodzie promieniowania tła, ale czy metoda kilonowej jest w stanie rozwiązać problem Hubble’a, badacze nie mają jeszcze odwagi powiedzieć:
„Jak dotąd mamy tylko jedno studium przypadku i potrzebujemy więcej przykładów, zanim będziemy mogli wyciągnąć jednoznaczne wnioski” – ostrzega Albert Sneben. „Ale nasza metoda omija przynajmniej niektóre znane źródła niepewności i jest systemem bardzo „czystym” do badania. Nie wymaga kalibracji ani współczynnika korygującego.
Odniesienie: „Pomiar stałej Hubble’a w kilonowatach metodą rozszerzającej się fotosfery” Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznański, Oliver Gast, Andreas Bauzayn i Radosław Wojtak, 2 października 2023 r., Astronomia i astrofizyka.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306
„Odkrywca. Nieprzepraszający przedsiębiorca. Fanatyk alkoholu. Certyfikowany pisarz. Wannabe tv ewangelista. Fanatyk Twittera. Student. Badacz sieci. Miłośnik podróży.”
More Stories
Dream Chaser należący do Sierra Spacecraft przygotowuje się do lotu przed startem na Przylądek – teraz lot kosmiczny
Kraby tuńczykowe, ani tuńczyk, ani kraby, roją się w pobliżu San Diego
Naukowcy proponują nową teorię powstawania kontynentów