KOSMICZNE ODLEGŁOŚCI

Prędkość rozszerzania się wszechświata to słynna stała Hubble’a. Jej dotychczasowe pomiary nie są zgodne ze sobą, ale teraz astronomom udało się określić jej wartość za pomocą nowej metody. Dzięki Einsteinowi, pewnemu norweskiemu astronomowi i – jak to w

Edwin Hubble w młodości był zapalonym sportowcem, grał w koszykówkę i bejsbol, mógł też zostać prawnikiem, bo na życzenie ojca studiował prawo na Oksfordzie, ale na szczęście dla nauki główną pasją w jego dorosłym życiu stały się astronomia i astrofizyka. Pod koniec lat 20. zeszłego wieku jako pierwszy odkrył, że kosmos się rozszerza. Światło niemal wszystkich galaktyk jest przesunięte ku czerwieni, co oznacza, że oddalają się od Ziemi. Hubble wykazał, że galaktyki uciekają od nas tym szybciej, im dalej są położone. Jest to zgodne z modelem puchnącej przestrzeni kosmicznej, jaki wynika wprost z równań grawitacji Einsteina. Innym wnioskiem, który płynie z ucieczki galaktyk, jest to, że kiedyś były bliżej siebie, a w dalekiej przeszłości cała materia musiała być ekstremalnie stłoczona i zagęszczona.

Jednym słowem odkrycie Hubble’a było pierwszą obserwacyjną wskazówką tego, że wszechświat miał początek w Wielkim Wybuchu.

JAK SZYBKO PUCHNIE KOSMOS?

Wyznaczenie stałej Hubble’a nie jest łatwe, bo wprawdzie z przesunięcia ku czerwieni łatwo odczytać prędkość oddalania się galaktyk, ale problemem pozostaje zmierzenie odległości do nich. Galaktyki położone są miliony i miliardy lat świetlnych od Ziemi, a bezpośredni pomiar odległości (trygonometryczny – za pomocą paralaksy) jest obecnie możliwy dla obiektów oddalonych maksymalnie o tysiąc parseków (ok. 3,3 tys. lat świetlnych), a więc tylko w naszym najbliższym otoczeniu w obrębie Drogi Mlecznej.

Jak wobec tego odmierza się większe dystanse w kosmosie? Jak się mierzy odległości do innych galaktyk? Astronomowie szukają w nich standardowych świec, czyli gwiazd albo supernowych, o których wiadomo, jak jasno świecą. Znana jest ich jasność absolutna oraz wiadomo, że obserwowana jasność maleje z kwadratem odległości. I w ten sposób szacuje się, jak bardzo świece są oddalone od Ziemi.

Problem w tym, że nie jesteśmy pewni, czy standardowe świece rzeczywiście zawsze świeciły i świecą tak samo. Ich światło dobiega do nas z bardzo daleka, co znaczy, że widzimy, jakie były w odległej przeszłości, a więc na wcześniejszych etapach ewolucji kosmosu – miliardy lat temu, kiedy być może miały inne cechy fizyczne i inną jasność niż te same świece współcześnie.

Co więcej, światło gwiazd jest po drodze do Ziemi tłumione i pochłaniane przez międzygalaktyczny gaz, a więc ich obserwowana jasność zależy nie tylko od odległości, ale również tego, co znajduje się na drodze światła. Poza tym prędkość ucieczki galaktyk jest wypadkową rozszerzania się przestrzeni oraz lokalnych prędkości własnych galaktyk, które są związane z historią ich oddziaływań z sąsiadami, a tę rzadko kiedy znamy.

Dlatego pierwsze pomiary stałej Hubble’a były dalekie od rzeczywistości – dawały wartość 500 km/s na megaparsek (to znaczy, że każde dwa punkty przestrzeni kosmicznej oddalone o megaparsek – ok. 3,3 mln lat świetlnych – oddalają się od siebie z prędkością 500 km/s). Później wyliczono, iż wartość tej stałej jest znacznie mniejsza – według obecnych pomiarów wszechświat rozszerza się z prędkością od 60 do 80 km/s na megaparsek.

Ale kolejne, coraz dokładniejsze pomiary, różnią się od siebie, wcale nie zbiegają do jednej wartości, co oznacza, że wciąż gdzieś tkwią w nich systematyczne błędy, o których nie mamy pojęcia.

KRZYŻ EINSTEINA I DZIEŃ ŚWISTAKA

W najnowszym „Science” międzynarodowy zespół astrofizyków przedstawił kolejne wyliczenie tempa rozszerzania się wszechświata – tym razem oparte na zjawisku grawitacyjnego soczewkowania.

Zgodnie z teorią Einsteina masywne obiekty zakrzywiają bieg światła (po raz pierwszy ugięcie promieni świetlnych zmierzono podczas zaćmienia Słońca w 1919 r., co było potwierdzeniem opublikowanej trzy lata wcześniej ogólnej teorii względności). Masywne galaktyki mogą mocno zmieniać bieg światła – tak jak to robi szklana soczewka – tworząc obrazy gwiazd i galaktyk położonych daleko za nimi. Astronomowie nauczyli się wykorzystywać ten efekt do obserwacji bardzo odległych galaktyk, których światła nigdy byśmy nie zobaczyli, gdyby nie zostało skupione i wzmocnione przez leżącą między nimi i Ziemią grawitacyjną soczewkę.

Jednym z możliwych efektów takiego soczewkowania jest poczwórny obraz, który nazywany jest Krzyżem Einsteina.

Pole grawitacyjne działa w tym wypadku jak soczewka i kalejdoskop, który zwielokrotnia skupione obrazy.

I właśnie tu zaczyna się historia najnowszego pomiaru stałej Hubble’a. W listopadzie 2014 r. kosmiczny teleskop Hubble’a dostrzegł bowiem kolejny Krzyż Einsteina – poczwórny obraz supernowej, czyli gwiezdnej eksplozji, która zakończyła życie jednej z gwiazd w spiralnej galaktyce 9,3 mld lat świetlnych od naszej planety. Soczewką, która wzmocniła i zwielokrotniła obraz tej supernowej, była gromada galaktyk MACS J1149+2223 położona mniej więcej w połowie drogi – 5 mld lat świetlnych od Ziemi.

Co ciekawe, cztery obrazy pokazywały supernową w nieco innej chwili, na innych etapach eksplozji, bo światło tworzące te obrazy za każdym razem miało do pokonania trochę inną odległość do Ziemi.

To nie koniec. Astronomowie ustalili, że soczewka MACS J1149+2223 wytworzyła jeszcze więcej obrazów tej supernowej! Jeden z nich przegapiliśmy, bo dotarł do Ziemi wiele lat temu (prawdopodobnie w połowie lat 90. zeszłego wieku), ale ponieważ blask eksplozji supernowej szybko gaśnie, to już go dawno nie widać.

Ale prognoza mówiła, że kolejny obraz supernowej jest wciąż w drodze i powinien w ciągu kilku lat dotrzeć do Ziemi.

Odkrycie Hubble’a było pierwszą obserwacyjną wskazówką tego, że wszechświat miał początek w Wielkim Wybuchu

Grawitacyjne soczewkowanie umożliwia więc wielokrotne obserwowanie tego samego wydarzenia. Eksplozja i śmierć tej gwiazdy, która wydarzyła się bardzo dawno temu i tylko raz w dziejach wszechświata, mogła powtarzać się na naszych oczach niczym „Dzień świstaka” ze słynnej hollywoodzkiej komedii.

Nie było tylko pewne, kiedy nastąpi powtórka – nadejście kolejnego obrazu supernowej zależało od rozkładu masy soczewkującej gromady galaktyk. Na wszelki wypadek teleskop Hubble’a co pewien czas spoglądał w tą stronę kosmosu i sprawdzał.

376 dni później, kiedy wybuch gwiazdy ponownie został zarejestrowany, uszczęśliwieni astronomowie przybili sobie piątkę.

Był to pierwszy przypadek w historii astronomii, w którym udało się przewidzieć obserwację supernowej.

Nie dość, że prognozy się sprawdziły się, to jeszcze nadejście opóźnionego obrazu stworzyło unikatową okazję pomiaru stałej Hubble’a. Od tempa rozszerzania się przestrzeni kosmicznej zależy bowiem opóźnienie, z jakim kolejne obrazy docierają na Ziemię.

Z tego powodu eksplodująca gwiazda została nazwana supernową Refsdala

– od norweskiego astronoma Sjura Refsdala, który w 1964 r. jako pierwszy zaproponował używanie zwielokrotnionych w grawitacyjnych soczewkach obrazów supernowych do badania rozszerzania się wszechświata.

A WARTOŚĆ JEGO 66,6

Wykorzystując teraz pomysł Sjura Refsdala, zespół astronomów był w stanie wyliczyć, że stała Hubble’a wynosi 66,6 km/s na megaparsek.

Co istotne, jak piszą w „Science” naukowcy – ten pomiar jest pozbawiony kluczowych niepewności, jakie niosą inne metody. Jedynym źródłem błędu jest tu w zasadzie rozkład materii w grawitacyjnej soczewce, który został jednak wymodelowany na kilka sposobów.

Przy tym wyliczona prędkość rozszerzania się kosmosu jest zgodna z wartością, którą dekadę wcześniej otrzymali kosmologowie na podstawie pomiarów mikrofalowego promieniowania tła sondy Planck z 2012 r. – 67,4 km/s/megaparsek. Jest zaś sporo niższa niż wartość otrzymana na podstawie świec standardowych (ok. 74 km/s/megaparsek), co może wskazywać, że podczas mierzenia kosmicznych odległości wciąż popełniamy jakieś systematyczne błędy.