The Universe Is Expanding Faster Than Expected

3 grudnia ludzkość nagle miała na wyciągnięcie ręki informacje, których ludzie pragnęli od, no cóż, od zawsze: dokładne odległości do gwiazd.

„Wpisujesz nazwę gwiazdy lub jej położenie, a w mniej niż sekundę będziesz miał odpowiedź”, powiedział Barry Madore, kosmolog z University of Chicago i Carnegie Observatories, podczas rozmowy Zoom w zeszłym tygodniu. „To znaczy…” On trailed off.

„Pijemy teraz z węża z ogniem”, powiedziała Wendy Freedman, również kosmolog z Chicago i Carnegie, żona i współpracowniczka Madore’a.

„Nie mogę przecenić tego, jak bardzo jestem podekscytowany”, powiedział w rozmowie telefonicznej Adam Riess z Johns Hopkins University, który w 2011 r. otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki za współodkrycie ciemnej energii. „Czy mogę ci pokazać wizualnie, czym jestem tak podekscytowany?”. Przełączyliśmy się na program Zoom, aby mógł podzielić się na ekranie ładnymi działkami z nowymi danymi o gwiazdach.

Dane pochodzą z należącej do Europejskiej Agencji Kosmicznej sondy kosmicznej Gaia, która spędziła ostatnie sześć lat obserwując gwiazdy z wysokości 1 miliona mil. Teleskop zmierzył „paralaksy” 1,3 miliarda gwiazd – drobne przesunięcia w pozornym położeniu gwiazd na niebie, które ujawniają ich odległości. „Paralaksy Gaia są zdecydowanie najdokładniejszym i najbardziej precyzyjnym określeniem odległości, jakie kiedykolwiek uzyskano” – powiedział Jo Bovy, astrofizyk z Uniwersytetu w Toronto.

Najlepsze dla kosmologów jest to, że nowy katalog Gaia zawiera specjalne gwiazdy, których odległości służą jako mierniki do pomiaru wszystkich dalszych odległości kosmologicznych. Z tego powodu nowe dane szybko wyostrzyły największe zagadnienie współczesnej kosmologii: niespodziewanie szybką ekspansję wszechświata, znaną jako napięcie Hubble’a.

Napięcie jest następujące: Znane składniki i równania rządzące kosmosem przewidują, że powinien on obecnie rozszerzać się w tempie 67 kilometrów na sekundę na megaparsek – co oznacza, że powinniśmy widzieć galaktyki oddalające się od nas o 67 kilometrów na sekundę szybciej na każdy dodatkowy megaparsek odległości. Jednak rzeczywiste pomiary konsekwentnie przekraczają tę granicę. Galaktyki oddalają się zbyt szybko. Ta rozbieżność ekscytująco sugeruje, że jakiś nieznany czynnik przyspieszający może być na bieżąco w kosmosie.

„Byłoby to niezwykle ekscytujące, gdyby istniała nowa fizyka” – powiedział Freedman. „Mam tajemnicę w sercu, że mam nadzieję, że tak jest, że można tam dokonać odkrycia. Ale chcemy się upewnić, że mamy rację. Jest praca do wykonania, zanim będziemy mogli to jednoznacznie stwierdzić.”

Ta praca polega na redukcji możliwych źródeł błędu w pomiarach tempa ekspansji kosmosu. Jednym z największych źródeł tej niepewności były odległości do pobliskich gwiazd – odległości, które nowe dane dotyczące paralaksy wydają się być nieomylne.

W pracy opublikowanej 15 grudnia i złożonej w The Astrophysical Journal, zespół Riessa wykorzystał nowe dane do ustalenia tempa ekspansji na poziomie 73,2 kilometrów na sekundę na megaparsek, zgodnie z poprzednią wartością, ale teraz z marginesem błędu wynoszącym zaledwie 1,8 procent. To pozornie cementuje rozbieżność z dużo niższym przewidywanym tempem 67.

Freedman i Madore spodziewają się opublikować nowe i ulepszone pomiary ich grupy dotyczące tempa ekspansji kosmicznej w styczniu. Oni również oczekują, że nowe dane wzmocnią, a nie przesuną, ich pomiar, który miał tendencję do lądowania niżej niż pomiary Riessa i innych grup, ale wciąż wyżej niż przewidywania.

Odkąd Gaia wystartowała w grudniu 2013 roku, wydała dwa inne ogromne zestawy danych, które zrewolucjonizowały nasze rozumienie naszego kosmicznego sąsiedztwa. Jednak wcześniejsze pomiary paralaksy Gaii były rozczarowaniem. „Kiedy spojrzeliśmy na pierwsze wydanie danych” w 2016 roku, powiedział Freedman, „chciało nam się płakać.”

Nieprzewidziany problem

Gdyby paralaksy były łatwiejsze do zmierzenia, rewolucja kopernikańska mogłaby nastąpić wcześniej.

Kopernik zaproponował w XVI wieku, że Ziemia obraca się wokół Słońca. Jednak już wtedy astronomowie wiedzieli o paralaksie. Jeśli Ziemia się poruszała, jak twierdził Kopernik, to spodziewali się, że zobaczą pobliskie gwiazdy przesuwające się na niebie, tak jak latarnia przesuwa się w stosunku do wzgórz w tle, gdy przechodzisz przez ulicę. Astronom Tycho Brahe nie wykrył żadnej takiej paralaksy gwiazdowej i doszedł do wniosku, że Ziemia się nie porusza.

A jednak porusza się, a gwiazdy przesuwają się – choć ledwo, bo są tak daleko.

Niemiecki astronom Friedrich Bessel dopiero w 1838 roku wykrył paralaksę gwiazdową. Mierząc przesunięcie kątowe układu gwiazd 61 Cygni względem otaczających gwiazd, Bessel doszedł do wniosku, że znajduje się on w odległości 10,3 lat świetlnych. Jego pomiar różnił się od prawdziwej wartości tylko o 10 procent – nowe pomiary Gaia umiejscawiają dwie gwiazdy w tym układzie w odległościach 11,4030 i 11,4026 lat świetlnych, czyli mniej więcej o jedną lub dwie tysięczne roku świetlnego.

Układ 61 Cygni jest wyjątkowo blisko. Bardziej typowe gwiazdy Drogi Mlecznej przesuwają się zaledwie o dziesięciotysięczne części sekundy łuku – zaledwie setne części piksela w nowoczesnej kamerze teleskopu. Wykrycie tego ruchu wymaga specjalistycznych, ultra-stabilnych instrumentów. Gaia została zaprojektowana do tego celu, ale kiedy ją włączono, teleskop napotkał nieprzewidziany problem.

Teleskop działa poprzez patrzenie w dwóch kierunkach jednocześnie i śledzenie różnic kątowych pomiędzy gwiazdami w dwóch polach widzenia, wyjaśnił Lennart Lindegren, który współproponował misję Gaia w 1993 roku i kierował analizą jej nowych danych dotyczących paralaksy. Dokładne oszacowanie paralaksy wymaga, by kąt pomiędzy dwoma polami widzenia był stały. Jednak na początku misji Gaia naukowcy odkryli, że tak nie jest. Teleskop lekko się wygina podczas obrotu względem Słońca, wprowadzając do pomiarów chybotanie, które naśladuje paralaksę. Co gorsza, to „przesunięcie” paralaksy zależy w skomplikowany sposób od pozycji obiektów, ich kolorów i jasności.

Jednakże, w miarę gromadzenia danych, naukowcy z Gaia odkryli, że łatwiej jest oddzielić fałszywą paralaksę od prawdziwej. Lindegren i współpracownicy zdołali usunąć znaczną część chybotania teleskopu z nowo opublikowanych danych paralaksy, jednocześnie opracowując formułę, której naukowcy mogą użyć do skorygowania ostatecznych pomiarów paralaksy w zależności od pozycji, koloru i jasności gwiazdy.

Wspinaczka po drabinie

Z nowymi danymi w ręku, Riess, Freedman i Madore oraz ich zespoły były w stanie ponownie obliczyć tempo ekspansji wszechświata. W ogólnych zarysach, sposobem na zmierzenie kosmicznej ekspansji jest określenie jak daleko znajdują się odległe galaktyki i jak szybko oddalają się od nas. Pomiary prędkości są proste; odległości są trudne.

Najbardziej precyzyjne pomiary polegają na skomplikowanych „kosmicznych drabinach odległości”. Pierwszy szczebel składa się z gwiazd „świec standardowych” w naszej własnej galaktyce i wokół niej, które mają dobrze zdefiniowaną jasność, i które są na tyle blisko, że wykazują paralaksę – jedyny pewny sposób, aby stwierdzić jak daleko znajdują się obiekty bez podróżowania tam. Astronomowie porównują jasność tych standardowych świec z jasnością słabszych świec w pobliskich galaktykach, aby określić ich odległości. To jest drugi szczebel drabiny. Znajomość odległości tych galaktyk, które zostały wybrane, ponieważ zawierają rzadkie, jasne eksplozje gwiezdne zwane supernowe typu 1a, pozwala kosmologom ocenić względne odległości odleglejszych galaktyk, które zawierają słabsze supernowe typu 1a. Stosunek prędkości tych odległych galaktyk do ich odległości daje tempo ekspansji kosmosu.

Paralaksy są więc kluczowe dla całej konstrukcji. „Zmieniasz pierwszy krok – paralaksy – wtedy wszystko, co następuje później, również się zmienia” – powiedział Riess, który jest jednym z liderów podejścia drabiny odległości. „Jeśli zmienisz precyzję pierwszego kroku, to zmieni się precyzja wszystkiego innego.”

Zespół Riessa wykorzystał nowe paralaksy Gaii dla 75 cefeid – pulsujących gwiazd, które są ich preferowanymi świecami standardowymi – aby przekalibrować swoje pomiary tempa ekspansji kosmosu.

Freedman i Madore, główni rywale Riessa na szczycie drabiny odległości, argumentowali w ostatnich latach, że Cefeidy sprzyjają możliwym błędom na wyższych szczeblach drabiny. Tak więc zamiast opierać się zbyt mocno na nich, ich zespół łączy pomiary oparte na wielu rodzajach gwiazd świecących standardowo z zestawu danych Gaia, w tym Cefeid, gwiazd RR Lyrae, gwiazd typu tip-of-the-red-giant-branch i tak zwanych gwiazd węglowych.

„Gaia dostarcza nam bezpiecznych podstaw,” powiedział Madore. Chociaż seria prac zespołu Madore’a i Freedmana nie jest spodziewana przez kilka tygodni, zauważyli oni, że nowe dane paralaksy i formuła korekcji wydają się działać dobrze. Przy zastosowaniu różnych metod wykreślania i rozcinania pomiarów, punkty danych reprezentujące Cefeidy i inne specjalne gwiazdy układają się starannie wzdłuż linii prostych, z bardzo niewielkim „rozrzutem”, który wskazywałby na błąd losowy.

„To mówi nam, że naprawdę patrzymy na prawdziwe rzeczy” – powiedział Madore.

Oryginalna historia przedrukowana za pozwoleniem z Quanta Magazine, niezależnej redakcyjnie publikacji Simons Foundation, której misją jest zwiększenie zrozumienia nauki przez społeczeństwo poprzez opisywanie rozwoju badań i trendów w matematyce oraz naukach fizycznych i przyrodniczych.

Więcej wspaniałych historii WIRED

• 📩 Chcesz najnowszych informacji na temat technologii, nauki i nie tylko? Zapisz się do naszego newslettera!

• Najbardziej fascynujące książki, które WIRED przeczytał w 2020 roku

• Czy QuantumScape właśnie rozwiązał 40-letni problem z bateriami?

• Śmierć, miłość i ukojenie miliona części motocyklowych

• Rozszerzenia do przeglądarki, które pomogą ci lepiej przeszukiwać sieć

• Oszust, który chciał uratować swój kraj

• 🎮 Gry WIRED: Najnowsze porady, recenzje i inne informacje

• 🎧 Rzeczy nie brzmią dobrze? Sprawdź nasze ulubione słuchawki bezprzewodowe, soundbary i głośniki Bluetooth