Jak szybko rozrasta się wszechświat?

Wszechświat nieustannie się rozrasta. Opinie naukowców są jednak coraz bardziej podzielone w kwestii tego, jak szybki jest to proces.

Publikacja: 17.09.2019 21:00

Nowe metody badawcze wskazują, że tempo ekspansji kosmosu jest wyższe niż sądzono

Nowe metody badawcze wskazują, że tempo ekspansji kosmosu jest wyższe niż sądzono

Foto: shutterstock

W 1929 r. Edwin Hubble odkrył, że galaktyki uciekają we wszystkich kierunkach. Na tej podstawie odkrył, że wszechświat się rozszerza.

Wielu uczonych uważało do niedawna, że tempo ekspansji będzie z czasem maleć za sprawą hamującego wpływu przyciągania grawitacyjnego. Potem odkryto, że proces narasta. Różnice kalkulacji jego tempa dowodzi jedynie jak wiele jeszcze mamy do odkrycia.

Kłótnia w naukowej rodzinie

„Gdzie kucharek sześć, tam nie ma co jeść" – powiada polskie przysłowie. Pasuje ono doskonale do opisu chaosu, jaki powstał po debacie astrofizycznej zorganizowanej pod koniec lipca br. w kalifornijskim mieście Santa Monica. Zamiast wypracowania wspólnego stanowiska na temat mechanizmu i prędkości rozszerzania się wszechświata, naukowcy podzielili się na zwolenników różnych, konkurencyjnych metod badawczych.

W tej sprawie starło się nawet ze sobą dwóch noblistów. Kosmolog Adam Riess z Space Telescope Science Institute w Baltimore zapytał fizyka cząstek teoretycznych Davida Grossa z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara: Jak on jako fizyk cząstek elementarnych odnosi się do olbrzymiej rozbieżności w wynikach pomiarów tempa rozszerzania się wszechświata zaprezentowanych na konferencji?

Gross odpowiedział, że wobec tak znaczących różnic w szacunkach dotyczących ekspansji, można uznać, że jedynym określeniem pasującym do obecnego impasu w nauce jest słowo „kryzys".

Znaczne różnice w wynikach wiarygodnych metod pomiarowych nie tylko powodują, że nie wiemy jak szybko nasza czasoprzestrzenna bańka się poszerza, ale przez to zagrożone jest nasze rozumienie tego, jak zbudowany jest wszechświat, jakie rządzą nim prawa i jak ewoluował w czasie. Do tej pory uważano, że przyjęta przez większość naukowców teoria znana jako standardowy model kosmologiczny jest w stanie wyjaśnić szeroką gamę obserwacji kosmicznych. Jednak rozbieżności w pomiarach ekspansji czasoprzestrzeni wymuszają drastyczne zmiany w tym modelu.

Nieustanny rozrost

Wszechświat nieustannie rozrasta się we wszystkich kierunkach. Proces ten systematycznie przyspiesza. Do tej pory przyjmowano, że średnie tempo wynosi 68 km/s na megaparsek. Innymi słowy w każdej sekundzie na każdy megaparsek wszechświat zwiększa rozmiary we wszystkich kierunkach o 68 km. Megaparsek to milion parseków – jednostki odległości, stosowanej w astronomii, równej 3,26 roku świetlnego, czyli około 30,9 biliona kilometrów. Tę prędkość, 68 km/s na megaparsek, nazywamy parametrem Hubble'a.

Istnieje jednak kilka konkurencyjnych technik obliczania wieku wszechświata i tempa jego ekspansji. Mówiąc najbardziej skrótowo, pierwszą z nich jest poszukiwanie promieniowania wypełniającego jednorodnie cały wszechświat, kiedy był jeszcze „niemowlęciem". To światło, które było emitowane zaledwie 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Aby przełożyć pozyskane w ten sposób informacje na szybkość ekspansji współczesnego wszechświata, naukowcy wykorzystują do prognozowania standardowy model kosmologiczny. Zgodnie z tą metodą wszechświat rozszerza się z prędkością 67,4 km na sekundę na każdy megaparsek. Metoda przewiduje, że błąd eksperymentalny wynosi tylko 0,5 km/s/Mpc.

Inna, równie uznana technika pomiaru wykorzystuje światło supernowych. Wskazuje ona na tempo ekspansji rzędu 74 km/s/Mpc, z błędem 1,4 km/s/Mpc. Jak widać różnica obu tych szacunków jest w skali kosmicznej niewyobrażalnie wielka. Naukowcy są bardzo zaniepokojeni aż tak znaczącą rozbieżnością między tymi dwoma wynikami.

Jaką metodę przyjąć?

Aby zmierzyć, jak szybko wszechświat się rozszerza, naukowcy muszą połączyć dwie informacje: jak daleko obiekty we wszechświecie są od nas są położone i z jaką prędkością się od nas oddalają. Do tego celu naukowcy obserwują przesunięcia ku czerwieni i rozciągnięcia długości fali światła emitowanego przez obiekt.

Stosowane są tzw. standardowe świece, czyli te obiekty niebieskie, które emitują stałą, mierzalną jasność, takie jak np. pewnego rodzaju supernowe, które określa się typem 1a. Podobnie jak w przypadku prawdziwej świecy, jeśli znana jest jasność obiektu, możemy określić, jak daleko jest on od nas oddalony.

Ustalenie skali ucieczki wymaga natomiast zastosowania tzw. „drabiny odległości", czyli metody wykorzystującej pobliskie obiekty o jednolitej jasności jako pomost do obiektów znajdujących się dalej. Często wykorzystuje się więc gwiazdy zwane cefeidami, które regularnie zmieniają jasność wskutek pulsacji.

Nieudana próba pojednania

Próby polubownego zażegnania sporu w świecie astrofizyków podjęła się prof. Wendy Freedman z University of Chicago. Aby sprawdzić poprawność poprzednich wyników zastosowanych w metodzie z wykorzystaniem supernowych, Freedman odrzuciła cefeidy i użyła jako „drabiny odległości" czerwonych gigantów – gwiazd, które na pewnym etapie życia osiągają taką samą maksymalną jasność. Wynik 69,8 km/s/Mpc znalazł się dokładnie pomiędzy sprzecznymi szacunkami dwóch wcześniej wspomnianych metod.

Wydawało się, że odkrycie prof. Freedman zażegna kryzys. Jednak w międzyczasie, z nowymi, równie wiarygodnymi metodami pomiarowymi, zgłosiło się kilku innych naukowców. Ich rozwiązania dolały jedynie oliwy do ognia. Astronom Mark Reid z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics podał stały pomiar Hubble'a oparty na badaniach chmur gazu wirujących wokół czarnej dziury. Emitują one światło o określonej długości fali, podobne do lasera. Badanie dowodzi, że wszechświat rozszerza się w tempie ok. 74 km/s/Mpc, a więc jeszcze szybciej, niż zakładał wcześniejszy spór. Jakby było mało, to nowe pomiary oparte na zmianach jasności galaktyki wskazały na wartość 76,5 km/s/Mpc.

Proliferacja zajmuje większość energii naszego wszechświata. Stosując bardzo proste porównanie przypomina wdmuchiwane powietrze do balona, który nieustannie powiększa swoją objętość, dążąc do nieuchronnego rozerwania.

We wszechświecie ten proces jest o wiele bardziej złożony i dotyczy całej czasoprzestrzeni i materii, poczynając od każdego pojedynczego atomu aż po galaktyki. Narastający wykładniczo proces oznacza, że któregoś dnia wszystkie atomy we wszechświecie, w tym także te, z których my sami się składamy ulegną rozerwaniu. Tempo rozrostu ma bowiem charakter wykładniczy, a to znaczy, drogi Czytelniku, że kiedy przeczytasz koniec tego zdania, wszechświat będzie się rozszerzał dwukrotnie szybciej niż w momencie, w którym zacząłeś go czytać.

W 1929 r. Edwin Hubble odkrył, że galaktyki uciekają we wszystkich kierunkach. Na tej podstawie odkrył, że wszechświat się rozszerza.

Wielu uczonych uważało do niedawna, że tempo ekspansji będzie z czasem maleć za sprawą hamującego wpływu przyciągania grawitacyjnego. Potem odkryto, że proces narasta. Różnice kalkulacji jego tempa dowodzi jedynie jak wiele jeszcze mamy do odkrycia.

Pozostało 94% artykułu
2 / 3
artykułów
Czytaj dalej. Subskrybuj
Kosmos
NASA szuka sposobu na sprowadzanie próbek z Marsa. Tanio i szybko
Kosmos
Odszedł Peter Higgs, odkrywca boskiej cząstki
Kosmos
Badania neutrin pomogą rozwiązać zagadkę powstania wszechświata
Kosmos
Księżyc będzie miał własną strefę czasową? Biały Dom nakazał ustalenie standardu
Kosmos
Astronomowie odkryli tajemnice galaktyki z początku istnienia wszechświata