Jak rychle se vesmír skutečně rozpíná? Záhada se prohlubuje

Nová data z vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST) prohloubila záhadu, jak rychle se vesmír rozpíná. Objev naznačuje, že k vysvětlení této vesmírné záhady může být zapotřebí neznámá fyzika. Od chvíle, kdy se vesmír zhruba před 13,8 miliardami let zrodil, se neustále rozpíná všemi směry. Analýzou současné rychlosti rozpínání vesmíru, známé jako Hubbleova konstanta, mohou vědci odhadnout stáří vesmíru a možné podrobnosti o jeho osudu, například zda se bude rozpínat navždy, zhroutí se sám do sebe, nebo se dokonce „roztrhne“.

Výzkumníci používají dvě základní strategie měření Hubblovy konstanty. Jedna sleduje blízké objekty, jejichž vlastnosti vědci dobře znají, jako jsou supernovy a pulzující hvězdy zvané cefeidy, aby odhadli jejich vzdálenost a rychlost, jakou se od nás vzdalují. Druhá metoda zkoumá kosmické mikrovlnné pozadí, zbytkové záření po Velkém třesku, aby mohla studovat počáteční podmínky vesmíru a odhadnout, jak rychle se od té doby rozpínal.

V posledním desetiletí tyto dvě metody nečekaně poskytly dva protichůdné výsledky. Pozorování kosmického mikrovlnného pozadí z evropské kosmické observatoře Planck naznačují, že vesmír se rozpíná rychlostí přibližně 67,4 kilometrů za sekundu na megaparsek (vzdálenost odpovídající 3,26 milionu světelných let). Naproti tomu údaje z blízkých supernov a cefeid naznačují rychlejší tempo, přibližně 73 km za sekundu na megaparsek.

Vyřešení této krize, známé jako „Hubbleovo napětí“, by mohlo objasnit vývoj a osud vesmíru. Jednou z možností je, že jedna nebo více metod odhadu tohoto kritického čísla je chybná.

„Existovala naděje, že tento rozpor prostě zmizí, že jde možná jen o chybu měření,“ říká Adam Riess, astrofyzik ze Space Telescope Science Institute (STSI) v Baltimoru, který v roce 2011 získal Nobelovu cenu za fyziku za to, že pomohl objevit zrychlující se rozpínání vesmíru.

Ve své studii Riess a jeho kolegové vycházeli z ostrého rozlišení Webbova dalekohledu. Analyzovali více než 320 cefeid ve dvou galaxiích – NGC 4258 vzdálené asi 23 milionů světelných let a NGC 5584 vzdálené asi 100 milionů světelných let.

Vědci zjistili, že Webbův teleskop vykazuje zhruba trojnásobné zlepšení přesnosti ve srovnání s Hubbleovým vesmírným dalekohledem. „Stačilo by mi 20 procent, takže trojnásobek je opravdu vynikající,“ říká Adam Riess. Nicméně nová pozorování se do značné míry shodovala s předchozími odhady vzdáleností Hubbleova dalekohledu. „Dřívější výsledky úspěšně prošly testem JWST,“ říká John Blakeslee, astronom z National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory v Tucsonu v Arizoně, který se na této studii nepodílel.

„V určitém okamžiku musíte říct, že to není chyba měření, a pokud ano, říká to něco velmi zajímavého o vesmíru,“ říká Riess. „Je to opravdu stále hlubší hádanka.“

Neznámé fungování vesmíru
Tato nová zjištění naznačují, že Hubblovo napětí může být způsobeno něčím zásadnějším než nepřesností. Pokud jsou obě hodnoty správné, pak astronomům chybí určitá informace o tom, jak se vesmír v minulosti rozpínal.

Údaje z blízkých supernov a cefeid naznačují, že rozpínání se zrychluje rychleji, než se očekávalo na základě podmínek v době, kdy byl vesmír mladý, což se odráží v kosmickém mikrovlnném pozadí. Toto zvýšené zrychlování je dokonce větší, než vědci v současnosti dokážou vysvětlit pomocí temné energie, tajemné síly, která podle teoretiků pohání zrychlující se rozpínání vesmíru.

„Máme jasný rozpor mezi pozorováním a převládajícím modelem vesmíru,“ říká Pierre Kervella, astronom z Pařížské observatoře, který se na této studii nepodílel. „Nyní se stává pravděpodobnější, že problém je spíše v modelu vesmíru než v pozorováních, která jsou poměrně solidní.“

Jedním z možných vysvětlení je, že „by mohl být problém v teorii gravitace, kterou používáme – obecné teorii relativity,“ říká Kervella. Hodnota Hubbleovy konstanty odvozená z kosmického mikrovlnného pozadí závisí na modelu založeném na obecné teorii relativity, vysvětluje Kervella.

Další možností je, že v raném vesmíru mohla existovat dosud netušená forma temné energie, poznamenává Riess. Nebo se temná energie mohla měnit v průběhu času, od doby, kdy byl vesmír velmi mladý a kompaktní, až po dobu, kdy zestárl a zvětšil se. „Existuje spousta nápadů a všechny mají svá pro a proti,“ říká Riess. „V současné době žádný z nich nesedí jako Popelce noha v botě.“

Další vodítka
Nedávno vědci vyvinuli další techniku měření Hubbleovy konstanty, která může pomoci vnést světlo do této záhady. Opírá se o gravitační vlny, vlnění ve struktuře prostoru a času, které vzniká při urychlování hmoty.

V roce 2017 vědci detekovali gravitační vlny ze srážky neutronových hvězd. Tyto vlny lze teoreticky využít k určení vzdálenosti srážek od Země, zatímco světlo z nárazů může odhalit rychlost, jakou se pohybují vzhledem k Zemi. Oba tyto soubory dat mohou vědci využít k výpočtu Hubbleovy konstanty.

Předběžné výsledky této metody ukazují na hodnotu Hubbleovy konstanty téměř 70 kilometrů za sekundu na megaparsek – tedy přesně mezi oběma ostatními metodami. Analýza srážek mezi přibližně 50 páry neutronových hvězd v příštích pěti až deseti letech může přinést dostatek dat pro přesvědčivější výsledky.

Mezitím bude JWST měřit vzdálenosti cefeid u dalšího tuctu galaxií, poznamenává John Blakeslee. To bude představovat ještě silnější test měření v blízkém vesmíru. Ale dokud se někomu nepodaří najít chybějící kousek této kosmologické skládačky, zdá se, že Hubblovo napětí zůstane.

Zdroj: https://www.nationalgeographic.com/premium/article/how-fast-is-the-universe-expanding-mystery-deepens-jwst

autor: František Martinek