Problemy z ekspansją

Nowe obserwacje nie pasują do tego, co wiemy o kosmosie. Astronomiczna pomyłka czy zapowiedź naukowej rewolucji?

29.03.2021

Czyta się kilka minut

Namibia – biwak pod Drogą Mleczną, marzec 2020 r. / EDWIN REMSBERG / VWPICS / GETTY IMAGES
Namibia – biwak pod Drogą Mleczną, marzec 2020 r. / EDWIN REMSBERG / VWPICS / GETTY IMAGES

Wszechświat nie jest niezmienny. Galaktyki oddalają się od siebie wskutek ekspansji przestrzeni. Chociaż Einstein twierdził, iż nikt w to nie uwierzy (był on początkowo zwolennikiem tezy, że wszechświat jest statyczny), to oswoiliśmy się z myślą, że żyjemy w świecie, który nie jest budowlą o niezmiennej architekturze. Idea dynamicznego wszechświata wkroczyła do literatury, kina, seriali telewizyjnych, gier komputerowych. Przywykliśmy do niej.

Fundamentalne prawo kosmologii mówi, że prędkość, z jaką oddalają się od nas stosunkowo nieodległe galaktyki, jest proporcjonalna do ich odległości od nas. Relację tę zadaje jeden parametr, tzw. stała Hubble’a (od niedawna, w imię sprawiedliwego uznania naukowych zasług, określa się ją mianem stałej Hubble’a-Lemaître’a). Przemnażając ją przez odległość do danej galaktyki, otrzymujemy prędkość, z jaką ta galaktyka się od nas oddala. Co ciekawe, prędkość ucieczki galaktyk zmienia się wraz z ewolucją wszechświata. Stała Hubble’a-Lemaître’a nie jest tak naprawdę stała, lecz my jej wartość będziemy zawsze rozważać w odniesieniu do chwili obecnej.

Stała Hubble’a-Lemaitre’a

Oszacowanie wartości stałej Hubble’a-Lemaître’a jest jednym z podstawowych problemów astronomii. Pierwsze nieśmiałe próby, podjęte na początku XX w., obarczone były wielkimi błędami. Kosmologię, jako dział nauki, traktowano zaś z przymrużeniem oka: bo cóż to za model wszechświata, którego najważniejszy parametr znany jest tylko co do rzędu wielkości? Mijały lata. Niebywały postęp technologiczny sprawił, iż kosmologia obserwacyjna nabrała precyzji. Współczesna astronomia zna kilkadziesiąt metod pozwalających na oszacowanie tej stałej. Niektóre z nich opierają się o pomiary prędkości ucieczki galaktyk, lecz są i inne. Ponieważ stała Hubble’a-Lemaître’a to jeden z parametrów definiujących standardowy model kosmologiczny (świat wyłonił się w nim z Wielkiego Wybuchu), to od jej wartości zależy ewolucja całego wszechświata – można więc ją oszacować podpatrując, jak wszechświat się zmieniał. Do 2013 r. wszystkie metody zdawały się wskazywać tę samą wartość. Chociaż wyniki różnych zespołów nie były dokładnie takie same, to jednak mieściły się w granicach błędów pomiarowych.

Astronomowie udoskonalali jednak metody obserwacji. Sto lat ciężkiej pracy zaowocowało prawdziwą niespodzianką. W 2019 r. stało się jasne, że niewielka rozbieżność wyników różnych grup nie bierze się z błędów pomiarowych. Obserwacje późnego wszechświata, czyli takie, w których stałą Hubble’a-Lemaître’a wyznacza się z odległości i prędkości nieodległych galaktyk, sugerowały wyższą wartość tej stałej (pomijając jednostki: 73) niż obserwacje, które dotyczyły wczesnego wszechświata (z tych wynika wartość 67). Każda z grup badawczych twierdziła, że liczby te są znane z dokładnością rzędu jednego procenta.

Drabina kosmicznych odległości

Od Wielkiego Wybuchu upłynęło prawie 14 miliardów lat. Żyjemy w późnym wszechświecie. Epoka ta rozciąga się na miliardy lat, lecz w kontekście stałej Hubble’a-Lemaître’a najciekawsze są czasy nam bliższe. Światło podróżuje ze skończoną prędkością, dlatego obserwacja zjawisk, które miały miejsce względnie niedaleko, oznacza, że zaszły one stosunkowo niedawno.

Standardowa procedura wyznaczania stałej Hubble’a-Lemaître’a polega na pomiarach odległości i prędkości ucieczki galaktyk. Jeśli pominąć „ruchy własne” galaktyk, wynikające z wzajemnych oddziaływań grawitacyjnych, i wziąć pod uwagę tylko takie galaktyki, które nie są zbyt odległe w skali kosmologicznej, to stosunek prędkości do odległości powinien dać tę samą liczbę: stałą Hubble’a-Lemaître’a.

Pomiar prędkości obiektów astronomicznych nie nastręcza wielkich trudności, ponieważ światło oddalających się od nas źródeł zmienia swój kolor. Podobne zjawisko odpowiedzialne jest za zmianę dźwięku mijającej nas karetki: można sobie wyobrazić, że jeżeli źródło jakiejkolwiek fali oddala się od nas, to fala owa staje się wskutek tego „rozciągnięta”. W przypadku dźwięku oznacza to, że syrena brzmi niżej (ponieważ większej długości fali odpowiadają niższe dźwięki), gdy karetka mija nas i zaczyna się od nas oddalać. W przypadku światła dochodzi do „przesunięcia ku czerwieni”.

Prawdziwą trudność stanowi pomiar odległości, bo trzeba go wykonać, nie ruszając się z miejsca! Na przestrzeni ostatnich stu lat astronomowie opracowali tzw. drabinę kosmicznych odległości. Jest to szereg uzupełniających się wzajemnie metod, dzięki którym, szczebel po szczeblu, znajomość odległości do obiektów bliższych umożliwia kalibrację metod pozwalających wyznaczyć odległości do obiektów dalszych.

Pierwszy szczebel tej drabiny wykorzystuje zjawisko paralaksy. Znamy je bardzo dobrze z życia codziennego – zamykając na przemian prawe i lewe oko, obserwujemy pozorną, zależną od odległości, zmianę położenia obiektów. Ważny szczebel z końca drabiny odległości to z kolei świece standardowe: obiekty astronomiczne, których jasność absolutną można odgadnąć – tak jak odczytuje się jasność żarówki z informacji na opakowaniu. Na podstawie zaobserwowanej jasności jesteśmy więc w stanie dość dobrze ocenić dzielącą nas odległość. Do pomiarów odległości szczególnie dobrze nadaje się pewien typ supernowych – czyli eksplozji gwiazd – zwanych supernowymi Ia.

Drabina kosmicznych odległości zbudowana została w oparciu o olbrzymią ilość obserwacji astronomicznych. Jeśli jednak choć jeden z jej szczebli został wyznaczony niedokładnie, to wszystkie kolejne również będą nieprecyzyjne.

Dwie epoki, dwie wartości

Wczesny wszechświat to epoka bliska początkom, narodzinom czasu i przestrzeni, czyli Wielkiemu Wybuchowi. Właściwie dopiero w XXI w. nauczyliśmy się mierzyć wartość stałej Hubble’a-Lemaître’a w chwili obecnej w oparciu o dane pochodzące z wczesnego wszechświata.

Dla kosmologa jednym z najcenniejszych źródeł informacji o wszechświecie jest tzw. kosmiczne promieniowanie tła. Ta poświata po Wielkim Wybuchu jest tej samej fizycznej natury co zwykłe światło czy fale radiowe, a jej istnienie to dowód na to, że wszechświat był kiedyś gęsty i gorący. Promieniowanie tła zostało wyemitowane około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Chociaż równomiernie wypełnia całą przestrzeń, to bardzo dokładne pomiary prowadzone za pomocą satelitów wykazały istnienie drobnych niejednorodności. W obserwowanych odstępstwach od wartości średniej zakodowana jest informacja o pierwotnych zaburzeniach gęstości wczesnego wszechświata oraz jego ewolucji. A ta, jak wiemy, zależy od stałej Hubble’a-Lemaître’a – dlatego na podstawie analizy niejednorodności promieniowania tła można tę stałą wyznaczyć.

Obserwacje promieniowania tła nie są jedynym źródłem wiedzy o wczesnym wszechświecie – wartość stałej Hubble’a-Lemaître’a wyznaczona na podstawie danych z tej epoki jest więc dość dobrze znana. Rzecz w tym, że uzyskana przez badaczy młodego wszechświata liczba jest sprzeczna z wartością wyznaczoną na podstawie obserwacji z „naszej” epoki.


Czytaj także: Sebastian J. Szybka: Zobaczyć czarną dziurę


Jeśli dane obserwacyjne z późnego i wczesnego wszechświata zostały zinterpretowane poprawnie, to nasze wyobrażenia na temat ewolucji wszechświata wymagają radykalnej rewizji, a astronomowie zaangażowani w opisywane tu badania mogą marzyć o Nagrodzie Nobla. Jeśli natomiast niezgodność ma charakter bardziej „techniczny” i wynika, przykładowo, z nadmiernego optymizmu przy szacowaniu błędów, to trzeba zakasać rękawy i powrócić do pracy.

W ciągu ostatnich kilku lat napisano setki prac dotyczących niezgodności oszacowań stałej Hubble’a-Lemaître’a. Problem ten nazywany jest czasem „konfliktem Hubble’a” (ang. Hubble tension). Żadne z zaproponowanych rozwiązań nie zostało powszechnie zaakceptowane. Aby zrozumieć, jak naukowcy próbują sobie radzić w podobnych przypadkach, należy sięgnąć do podstaw metody naukowej.

Teoria i model

Pojęcia teorii i modelu często są ze sobą mylone. Różnicę pomiędzy nimi łatwo zrozumieć na podstawie analogii do klocków. Teoria to zestaw klocków. Dostarcza ona elementów, z których buduje się model. W skalach astronomicznych kluczowe są oddziaływania grawitacyjne, więc model wszechświata należy skonstruować w ramach teorii Einsteina – najlepszej znanej nam obecnie teorii grawitacji, dla której nie istnieje poważna konkurencja. Z modelu wynikają pewne przewidywania, które porównywać można z rzeczywistymi obserwacjami. Czasem pojawiają się między nimi niezgodności – które mogą mieć różne przyczyny.

Często okazuje się, że niezgodności są pozorne. Stała Hubble’a-Lemaître’a już raz była źródłem podobnych problemów. Wiek wszechświata obliczany na podstawie pierwszych nieprecyzyjnych pomiarów tej stałej był mniejszy niż oszacowany przez geologów wiek Ziemi. Ostatecznie okazało się, że dziesięciokrotnie przeszacowano wartość stałej Hubble’a-Lemaître’a, ponieważ grupy gwiazd pomylono z pojedynczymi obiektami. Przykłady tego typu można mnożyć – nie tylko z dziedziny kosmologii. We wrześniu 2011 r. eksperyment OPERA przedstawił wyniki świadczące o tym, że cząstki zwane neutrinami poruszają się szybciej niż światło. Wynik trafił na pierwsze strony gazet. Jeśli okazałby się prawdziwy, to nasze teorie fizyczne wymagałyby drastycznych zmian. Badacze przez pół roku nie potrafili wskazać błędu w swoim eksperymencie. Winna okazała się niedopchnięta wtyczka.

Drugi możliwy scenariusz to sytuacja, w której niezgodność obserwacji z modelem wynika z niedokładności modelu. Przykładowo, w pierwszej połowie XIX w. model Układu Słonecznego skonstruowany w ramach teorii grawitacji Newtona zakładał istnienie siedmiu planet (obiektów spełniających współczesną definicję planety). Precyzyjne obserwacje Urana pokazały, iż nie porusza się on zgodnie z przewidywaniami modelu. W 1846 r. Urbain Le Verrier wyliczył, iż model Układu Słonecznego może zostać uratowany, jeśli uzupełni się go o dodatkową planetę. Planeta ta zaburzałaby trajektorię Urana. Niedługo później astronomowie, posługując się przewidywaniami Le Verriera, odkryli Neptuna.

Najciekawszy przypadek to ten, w którym niezgodnościom pomiędzy modelem a obserwacjami nie można zaradzić, nie zmieniając teorii. W 1859 r. ten sam Urbain Le Verrier, który 13 lat wcześniej przewidział istnienie Neptuna, zauważył, że ruch Merkurego wokół Słońca również nie pokrywa się z przewidywaniami modelu – i zasugerował istnienie dodatkowej planety, tym razem krążącej jeszcze bliżej Słońca niż Merkury. Bądź co bądź, analogiczna propozycja już raz doprowadziła go do błyskotliwego odkrycia. Chociaż planeta ta otrzymała nawet swoją nazwę – Wulkan – to nikt jej nigdy nie zaobserwował, a na rozwiązanie zagadki trzeba było zaczekać ponad pół wieku. To teoria Newtona, w ramach której zbudowano model, zawiodła. Drobna niezgodność z obserwacjami okazała się zapowiedzią einsteinowskiej rewolucji, a jej wyjaśnienie wymagało dramatycznych zmian w naszym pojmowaniu czasu i przestrzeni. Trajektoria Merkurego wyliczona w ramach teorii grawitacji Einsteina jest zgodna z obserwacjami. Przyroda nie pozwala się nam nudzić. Ten sam model, podobna niezgodność, co w przypadku Urana, a drastycznie inne rozwiązanie.

Narodziny nowego paradygmatu

Wydaje się, że niejednoznaczność pomiarów stałej Hubble’a-Lemaître’a nie może mieć tak prostego wytłumaczenia, jak nadświetlne neutrina w eksperymencie OPERA. Jest ona widoczna w wielu niezależnych analizach. Jeśli wina leży po stronie obserwatorów, to wynika raczej z jakiegoś błędnego założenia.

Jeśli błędny jest model kosmologiczny, to nie wiemy, jak go naprawić. W ciągu dwóch ostatnich lat pojawiło się wiele pomysłów pozwalających złagodzić napięcia wewnątrz modelu. Trudność polega na tym, żeby lekarstwo samo nie wywoływało nowej choroby. Standardowy model kosmologiczny jest testowany obserwacyjnie od kilkudziesięciu lat, a każda jego modyfikacja powinna pozostawać w zgodności z wszystkimi wcześniejszymi obserwacjami. Mnogość obserwacji powoduje, że trudno zweryfikować, czy nowy pomysł, zanim zostanie ogłoszony publicznie, jest zgodny z wszystkimi istniejącymi danymi. Stąd duża liczba pomysłów nie przełożyła się jak dotychczas na realne rozwiązanie.


Czytaj także: Sebastian J. Szybka: Ciemne wieki wszechświata


Jeśli natomiast przyczyna niezgodności kryje się w teorii grawitacji Einsteina, to sytuacja jest jeszcze bardziej poważna. Nowa teoria musi być zgodna nie tylko z tym, co wiemy na temat kosmologii, ale z całą naszą wiedzą na temat grawitacji. Za czasów Le Verriera, gdy pojawiły się problemy z trajektorią Merkurego, nie znano rozsądnej alternatywy dla teorii grawitacji Newtona. Podobnie dzisiaj nie mamy rzeczywistej alternatywy dla teorii grawitacji Einsteina. Jedyne, co potrafimy zrobić, to na wzór XIX-wiecznych naukowców zaproponować modyfikacje istniejącej teorii. Historia nauki nie zachęca do takich prób. Strategia ta przeradza się przeważnie w „łatanie dziur” w konstrukcji, która wymaga głębokiej przebudowy.

W XIX w. wykazano, że zmodyfikowana teoria grawitacji Newtona dobrze odtwarza problematyczną trajektorię Merkurego. To odkrycie nie przybliżyło jednak badaczy do prawdy. Rzeczywiste rozwiązanie problemu wymagało odkrycia (stworzenia) całkowicie nowej teorii. Sięgając w głąb historii kosmologii, natrafimy na jeszcze inną ilustrację tej samej zasady. Przez dwa tysiące lat dominującym modelem kosmologicznym był model geocentryczny. Wzrastająca precyzja obserwacji wymuszała kolejne modyfikacje modelu, który ostatecznie stał się wyrafinowaną, złożoną i całkiem nieźle funkcjonującą strukturą matematyczną, opartą jednak na zbyt uproszczonym rozumieniu kosmosu. Próby modyfikacji niektórych podstawowych zasad nie mogły tego faktu zmienić. Prawdziwy postęp wymagał nowego paradygmatu. Teoria Newtona nie jest modyfikacją fizyki arystotelesowskiej, tak jak teoria Einsteina nie jest modyfikacją teorii Newtona.

Pomyłka czy rewolucja?

Pomimo niezaprzeczalnych trudności istnieje nadzieja na rozwikłanie zagadki stałej Hubble’a-Lemaître’a. W 2015 r. po raz pierwszy dokonano detekcji fal grawitacyjnych. Fale grawitacyjne to zmarszczki czasu i przestrzeni. Obecnie rutynowo obserwuje się takie fale pochodzące ze zderzeń czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Szczególnie interesujące są zdarzenia, w których oprócz fali grawitacyjnej udaje się zaobserwować samo zderzenie przy użyciu innych metod, np. za pomocą zwykłego teleskopu. Takie podwójne detekcje otwierają przed astronomami zupełnie nowe możliwości, pozwalając m.in. na bezpośrednie oszacowanie odległości, w której została wygenerowana fala grawitacyjna. Tym samym umożliwiają pomiar stałej Hubble’a-Lemaître’a bez konieczności odwoływania się do drabiny kosmicznych odległości. Jeśli zmierzona w ten sposób wartość stałej okaże się zgodna z pomiarami pochodzącymi ze wczesnego wszechświata, to problem niezgodności pomiarów zostanie rozwiązany. W takim przypadku jako przyczynę wcześniejszych trudności będzie można wskazać błędne oszacowanie odległości w późnym wszechświecie. W chwili obecnej znamy tylko jedno takie zdarzenie, zarejestrowane w 2017 r. Wiarygodne oszacowanie wartości stałej Hubble’a-Lemaître’a za pomocą tej metody wymaga większej liczby podwójnych detekcji. Mamy nadzieję dokonać ich w niedługim czasie dzięki udoskonalonym detektorom fal grawitacyjnych.

Ekspansja wszechświata nie pierwszy raz wzbudza wielkie zainteresowanie. Ponad dwadzieścia lat temu wykazano, że tempo ekspansji wszechświata obecnie wzrasta. Za pomiar zmian tempa ekspansji przyznano w 2011 r. Nagrodę Nobla. Nie spodziewano się wtedy, że oszacowanie samego tempa ekspansji stanie się źródłem problemów.

W potocznym języku słowo „problem” niesie w sobie negatywne emocje. W nauce sytuacja wygląda inaczej. Najgorsza jest stagnacja – gdy dostępne dane pasują do naszych niedoskonałych teorii i modeli, gdy przyroda skąpi podpowiedzi, a nam brakuje narzędzi, by przyglądnąć się jej lepiej i pójść o krok dalej. Jak rzekł Einstein, pośród trudności czai się okazja. Jest wielce prawdopodobne, że rozbieżności w pomiarze stałej Hubble’a-Lemaître’a wynikają z nadmiernego optymizmu astronomów co do dokładności własnych pomiarów. Mimo to problemy z ekspansją wszechświata wzbudzają przyjemnie drażniącą niepewność – może to zarzewie naukowej rewolucji? ©

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
SEBASTIAN SZYBKA jest doktorem habilitowanym, pracuje na Uniwersytecie Jagiellońskim w Zakładzie Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii (Obserwatorium Astronomiczne). Specjalizuje się w teorii grawitacji Einsteina. Jego zainteresowania naukowe dotyczą… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 14/2021