Webbův teleskop a HST se spojily, aby vyřešily záhadu rychlosti rozpínání vesmíru

Měření Webbova teleskopu vrhají nové světlo na desetileté tajemství. Jedním ze tří vědeckých zdůvodnění pro americký Kongres pro stavbu Hubbleova vesmírného dalekohledu HST bylo použití jeho pozorovací schopnosti k poskytnutí přesné hodnoty rychlosti rozpínání vesmíru. Před vypuštěním HST v roce 1990 přinášela pozorování z pozemních dalekohledů obrovskou nejistotu. V závislosti na rychlosti rozpínání může být vesmír starý 10 až 20 miliard let. Za posledních 34 let Hubbleův teleskop tuto hodnotu zmenšil na přesnost blížící se jednomu procentu. Toho bylo dosaženo upřesněním takzvaného „žebříčku kosmických vzdáleností“ měřením zlatého standardu značek kosmických milníků známých jako proměnné hvězdy, tzv. cefeidy.

Výsledky však mátly kosmology už deset let. Nejlepší měření z HST ukazují, že vesmír se nyní rozpíná rychleji, než se předpokládalo na základě pozorování toho, jak vypadal krátce po Velkém třesku. Tato pozorování byla provedena pomocí Planckova satelitního mapování kosmického mikrovlnného záření na pozadí – jakýsi plán toho, jak by se vesmír vyvíjel ve struktuře po ochlazení po Velkém třesku.

Jednoduchým řešením tohoto dilematu je říci, že možná jsou pozorování HST chybná kvůli nějaké plíživé nepřesnosti v jeho metru hlubokého vesmíru. Pak přišel vesmírný dalekohled Jamese Webba, aby zkontroloval výsledky HST. Webbovy ostré infračervené pohledy na cefeidy souhlasily s údaji z HST. Webb potvrdil, že bystré oko Hubbleova teleskopu mělo po celou dobu pravdu.

Závěrem je, že takzvané „Hubbleovo napětí“ mezi tím, co se děje v blízkém vesmíru, ve srovnání s expanzí raného vesmíru, zůstává pro kosmology fascinující hádankou. Do struktury vesmíru může být vetkáno něco, čemu ještě nerozumíme.

Vložený snímek NGC 5468, galaxie nacházející se asi 130 milionů světelných let od Země, kombinuje data z kosmických dalekohledů HST a Jamese Webba. Toto je nejvzdálenější galaxie, ve které HST identifikoval proměnné hvězdy – cefeidy. Toto jsou důležité ukazatele pro měření rychlosti rozpínání vesmíru. Vzdálenost vypočítaná z cefeid byla vzájemně korelována se supernovou typu Ia v galaxii. Supernovy typu Ia jsou tak jasné, že se používají k měření kosmických vzdáleností daleko za dosahem cefeid, čímž se měření rychlosti rozpínání vesmíru rozšiřuje hlouběji do vesmíru.

Webbův teleskop a HST potvrzují rychlost rozpínání vesmíru, hádanka přetrvává

Když se snažíte vyřešit jeden z největších hlavolamů v kosmologii, měli byste si třikrát zkontrolovat domácí úkol. Hádanka zvaná „Hubbleovo napětí“ spočívá v tom, že současná rychlost rozpínání vesmíru je vyšší, než jak astronomové očekávají na základě počátečních podmínek vesmíru a našeho současného chápání vývoje vesmíru.

Vědci používající Hubbleův vesmírný teleskop a mnoho dalších dalekohledů neustále nalézají číslo, které neodpovídá předpovědím založeným na pozorováních z mise ESA (European Space Agency) – družice Planck. Vyžaduje vyřešení tohoto rozporu novou fyziku? Nebo je to výsledek chyb měření mezi dvěma různými metodami používanými k určení rychlosti rozpínání prostoru?

HST měří současnou rychlost rozpínání vesmíru již 30 let a astronomové chtějí odstranit jakékoliv přetrvávající pochybnosti o jeho přesnosti. Nyní se HST a vesmírný teleskop Jamese Webba spojily, aby vytvořily definitivní měření, což podporuje případ, že rychlost expanze ovlivňuje něco jiného – nikoli chyby měření.

„Po negaci chyb měření zůstává skutečná a vzrušující možnost, že jsme vesmír špatně pochopili,“ řekl Adam Riess, fyzik z Johns Hopkins University v Baltimoru. Riess je držitelem Nobelovy ceny za spoluobjevení skutečnosti, že expanze vesmíru se zrychluje kvůli záhadnému jevu, který se nyní označuje jako „temná energie“.

Uprostřed dvou snímků vložených vedle sebe je speciální třída hvězd používaná jako ukazatel milníku pro měření rychlosti rozpínání vesmíru – proměnná hvězda typu cefeidy. Tyto dva snímky jsou velmi pixelované, protože jde o velmi přiblížený pohled na vzdálenou galaxii. Každý z pixelů představuje jednu nebo více hvězd. Snímek z vesmírného dalekohledu Jamese Webba je výrazně ostřejší na vlnových délkách blízkého infračerveného záření než Hubbleův teleskop (což je především dalekohled pro viditelné a ultrafialové světlo). Snížením nesouladu s Webbovým ostřejším viděním vynikne cefeida jasněji a eliminuje jakýkoli potenciální zmatek. Webbův teleskop byl použit k pohledu na vzorek cefeid a potvrdil přesnost předchozích pozorování z HST, která jsou zásadní pro přesné měření rychlosti rozpínání a stáří vesmíru.

Počáteční Webbovo pozorování v roce 2023 potvrdilo, že Hubbleova měření rozpínajícího se vesmíru byla přesná. Někteří vědci však v naději, že uvolní Hubbleovo napětí, spekulovali, že neviditelné chyby v měření mohou narůstat a být viditelné, když se podíváme hlouběji do vesmíru. Zejména shlukování stálic by mohlo systematicky ovlivnit měření jasnosti vzdálenějších hvězd.

Tým SH0ES (Supernova H0 pro rovnici stavu temné energie) vedený Riessem získal s Webbem další pozorování objektů, které jsou kritickými ukazateli kosmických milníků, známých jako proměnné hvězdy typu cefeid, které lze nyní korelovat s údaji z HST.

„Nyní jsme pokryli celý rozsah toho, co HST pozoroval, a můžeme s velmi vysokou spolehlivostí vyloučit chybu měření jako příčinu Hubbleova napětí,“ řekl Riess. Prvních několik pozorování Webbova teleskopu v roce 2023 bylo úspěšných a ukázalo se, že HST je na správné cestě k pevnému stanovení správnosti prvních příček takzvaného žebříčku kosmické vzdálenosti.

Astronomové používají různé metody k měření relativních vzdáleností ve vesmíru v závislosti na pozorovaném objektu. Souhrnně jsou tyto techniky známé jako žebřík kosmické vzdálenosti – každá příčka nebo technika měření závisí na předchozím kroku kalibrace.

Někteří astronomové však navrhli, že při pohybu směrem ven po „druhé příčce“ by se žebřík kosmické vzdálenosti mohl rozkolísat, pokud se měření cefeid stanou méně přesnými se vzdáleností. K takovým nepřesnostem by mohlo dojít, protože světlo cefeid by se mohlo mísit se světlem sousední hvězdy – efekt, který by mohl být výraznější se vzdáleností, jak se hvězdy shlukují a hůře se od sebe odlišují.

Pozorovací výzva spočívá v tom, že minulé snímky těchto vzdálenějších proměnných cefeid z HST vypadají více schoulené a překrývající se se sousedními hvězdami ve stále větší vzdálenosti mezi námi a jejich hostitelskými galaxiemi, což vyžaduje pečlivé zohlednění tohoto efektu. Zasahující prach dále komplikuje jistotu měření ve viditelném světle. Webbův teleskop proniká skrz prach a přirozeně izoluje cefeidy od sousedních hvězd, protože jeho vidění je na infračervených vlnových délkách ostřejší než u HST.

„Kombinace Webba a Hubblea nám dává to nejlepší z obou světů. Zjistili jsme, že Hubbleova měření zůstávají spolehlivá, i když stoupáme dále po žebříčku kosmických vzdáleností,“ řekl Riess.

Nová pozorování Webbova teleskopu zahrnují pět hostitelských galaxií s osmi supernovami typu Ia obsahujících celkem 1000 cefeid. Zasahují do nejvzdálenější galaxie NGC 5468, kde byly cefeidy dobře změřeny ve vzdálenosti 130 milionů světelných let. „Toto zahrnuje celý rozsah, kde jsme provedli měření s Hubbleem. Takže jsme se dostali na konec druhé příčky žebříčku kosmické vzdálenosti,“ řekl spoluautor Gagandeep Anand ze Space Telescope Science Institute v Baltimoru, který pro NASA provozuje teleskopy Webb a Hubble.

Hubbleovo a Webbovo další potvrzení Hubbleova napětí vyžaduje další observatoře, které by mohly záhadu vyřešit. Nadcházející vesmírný dalekohled NASA Nancy Grace Roman Space Telescope bude provádět rozsáhlé nebeské průzkumy, aby studoval vliv temné energie, tajemné energie, která způsobuje zrychlené rozpínání vesmíru. Observatoř Euclid ESA s přispěním NASA sleduje podobný úkol.

V současnosti je to, jako by žebřík vzdálenosti pozorovaný Hubblem a Webbem pevně stanovil kotevní bod na jednom břehu řeky a dosvit Velkého třesku pozorovaný Planckovým měřením od počátku vesmíru byl pevně nastaven na druhé straně. Jak se expanze vesmíru měnila za miliardy let mezi těmito dvěma koncovými body, je třeba ještě přímo rozlišit. „Musíme zjistit, jestli nám něco nechybí, jak spojit počátek vesmíru a současnost,“ řekl Riess.

Tato zjištění byla zveřejněna v časopise The Astrophysical Journal Letters ze 6. února 2024.

Zdroj: https://scitechdaily.com/nasas-webb-and-hubble-team-up-to-solve-universe-expansion-rate-puzzle/

autor: František Martinek