V posledných rokoch sa astronómia ocitla v trochu kríze: Hoci vieme, že vesmír sa rozpína ​​a hoci vieme, ako rýchlo to ide, dva základné spôsoby merania tohto rozpínania sa nezhodujú. Astrofyzici z Inštitútu Nielsa Bohra teraz navrhujú novú metódu, ktorá môže pomôcť vyriešiť toto napätie.

Vesmír sa rozpína

Vieme to odvtedy, čo Edwin Hubble a iní astronómovia asi pred 100 rokmi merali rýchlosti množstva okolitých galaxií. Galaxie vo vesmíre sú touto expanziou „odtláčané“ od seba, a preto sa od seba vzďaľujú.

Čím väčšia je vzdialenosť medzi dvoma galaxiami, tým rýchlejšie sa od seba vzďaľujú a presná rýchlosť tohto pohybu je jednou z najzákladnejších veličín modernej kozmológie. Číslo, ktoré popisuje expanziu, sa nazýva Hubbleova konštanta a objavuje sa v mnohých rôznych rovniciach a modeloch vesmíru a jeho komponentov.

Galaxie sú vo vesmíre viac-menej nehybné, no samotný priestor sa rozširuje. To spôsobuje, že sa galaxie od seba vzďaľujú stále väčšou rýchlosťou. Ako rýchlo je však trochu záhadou. Kredit: ISO/L. Calada. Galaxie sú vo vesmíre viac-menej nehybné, no samotný priestor sa rozširuje. To spôsobuje, že sa galaxie od seba vzďaľujú stále väčšou rýchlosťou. Ako rýchlo je však trochu záhadou. Kredit: ISO/L. Calada

Hubbleov problém

Aby sme pochopili vesmír, musíme poznať Hubbleovu konštantu čo najpresnejšie. Existuje niekoľko spôsobov, ako to merať; Metódy sú navzájom nezávislé, ale našťastie poskytujú takmer rovnaký výsledok.

To znamená, že je takmer…

Najjednoduchší intuitívny spôsob, ako to pochopiť, je v princípe rovnaká metóda, ktorú Edwin Hubble a jeho kolegovia používali pred storočím: lokalizácia skupiny galaxií a meranie ich vzdialeností a rýchlostí. V praxi sa to robí hľadaním galaxií s explodujúcimi hviezdami, alebo tzv supernovy. Táto metóda je doplnená o ďalšiu metódu, ktorá analyzuje nezrovnalosti v tzv Kozmické žiarenie pozadia; Staroveká forma svetla, ktorá sa datuje krátko potom veľký výbuch.

Tieto dve metódy – metóda supernovy a metóda žiarenia pozadia – vždy poskytli mierne odlišné výsledky. Akékoľvek meranie však prichádza s neistotami a pred niekoľkými rokmi boli neistoty dostatočne veľké na to, aby sme ich mohli viniť za tento rozdiel.

Ľavá hemisféra ukazuje rozpínajúci sa zvyšok supernovy, ktorú objavil Tycho Brahe v roku 1572, tu zobrazený v röntgenových lúčoch (Poďakovanie: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). Vpravo je mapa žiarenia kozmického pozadia vychádzajúceho z polovice oblohy, ktorá je pozorovaná v mikrovlnách. Poďakovanie: Vedecký tím NASA/WMAP

Ako sa však techniky merania zdokonaľovali, neistoty sa zmenšovali a teraz sme dosiahli bod, v ktorom môžeme s vysokou mierou istoty tvrdiť, že ani jedno nemôže byť pravda.

Koreň tohto „Hubble problému“ – či neznáme efekty systematicky ovplyvňujú jeden z výsledkov, alebo či to poukazuje na novú fyziku, ktorá ešte nebola objavená – je v súčasnosti jednou z najhorúcejších tém v astronómii.

Pretrvávajúci Hubbleov paradox

Rozpínanie vesmíru sa meria v „rýchlosti na vzdialenosť“, čo je niečo vyše 20 kilometrov za sekundu na milión svetelných rokov. To znamená, že galaxia vzdialená 100 miliónov svetelných rokov sa od nás vzďaľuje rýchlosťou 2000 km/s, zatiaľ čo iná galaxia vzdialená 200 miliónov svetelných rokov sa od nás vzďaľuje rýchlosťou 4000 km/s.

Avšak použitie supernov na meranie vzdialeností a rýchlostí galaxií vedie k 22,7 ± 0,4 km/s, zatiaľ čo analýza žiarenia kozmického pozadia vedie k 20,7 ± 0,2 km/s.

Venovať pozornosť takejto menšej nezhode sa môže zdať nudné, no môže byť veľmi dôležité. Toto číslo sa napríklad objavuje pri výpočte veku vesmíru a tieto dve metódy produkujú vek 12,8 a 13,8 miliardy rokov.

Kilonova: nový prístup k meraniu

Jedna z najväčších výziev spočíva v presnom určení vzdialeností galaxií. Ale v novej štúdii Albert Snippen, doktorand z astrofyziky v Centre pre kozmický úsvit na Niels Bohr Institute v Kodani, navrhuje nový spôsob merania vzdialeností, ktorý by mohol pomôcť urovnať prebiehajúci spor.

„Keď dve extrémne kompaktné neutrónové hviezdy – samotné zvyšky supernov – obiehajú okolo seba a nakoniec sa spoja, explodujú v novej explózii, ktorá sa nazýva kilonova,“ vysvetľuje Albert Snepen. „Nedávno sme ukázali, aká pozoruhodne symetrická je táto explózia. Ukázalo sa, že „Táto symetria nie je len krásna, je tiež neuveriteľne užitočná.“

v Tretia štúdia Práve publikovaný, plodný doktorand demonštruje, že kilonovy, aj keď sú zložité, možno opísať jedinou teplotou. Ukazuje sa, že symetria a jednoduchosť kilonovy umožňujú astronómom presne odvodiť, koľko svetla vyžaruje.

Porovnaním tohto jasu s množstvom svetla dopadajúceho na Zem môžu výskumníci vypočítať, ako ďaleko je kilonova. Získali tak novú nezávislú metódu výpočtu vzdialenosti ku galaxiám obsahujúcim kilonovy.

Darach Watson je docentom v Cosmic Dawn Center a spoluautorom štúdie. „Supernovy, ktoré sa doteraz používali na meranie vzdialeností medzi galaxiami, nie vždy vyžarujú rovnaké množstvo svetla,“ vysvetľuje. ktoré sa zase musia kalibrovať.“ Pomocou kilonov môžeme obísť tieto komplikácie, ktoré spôsobujú neistotu meraní.

Predbežné výsledky a budúce kroky

Aby astrofyzici dokázali svoj potenciál, aplikovali túto metódu na kilonovu objavenú v roku 2017. Výsledkom je Hubbleova konštanta bližšia metóde žiarenia pozadia, no či je metóda kilonova schopná vyriešiť Hubbleov problém, si výskumníci zatiaľ netrúfajú povedať:

„Zatiaľ máme len jednu prípadovú štúdiu a potrebujeme viac príkladov, kým dospejeme k jednoznačnému záveru,“ varuje Albert Sneben. „Naša metóda však obchádza aspoň niektoré známe zdroje neistoty a je to veľmi ‚čistý‘ systém na štúdium. Nevyžaduje žiadnu kalibráciu ani korekčný faktor.“

Odkaz: „Meranie Hubbleovej konštanty v kilonovatoch pomocou metódy expandujúcej fotosféry“ od Alberta Snepena, Daracha Watsona, Dovi Poznanského, Olivera Gasta, Andreasa Bauszyna a Radoslawa Wojtaka, 2. októbra 2023, Astronómia a astrofyzika.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306