„Problem Hubble’a” a teoria Wielkiego WybuchuCzas czytania: 5 min

Prowadząc badania od 1912 roku, amerykański astronom Vesto Slipher odkrył, że widma „mgławic spiralnych” (obecnie nazywanych galaktykami) wykazują duże przesunięcie ku czerwieni. Te widma były odmienne od widm gwiazd, które ujawniały równy rozkład przesunięć ku czerwieni i ku fioletowi. Do roku 1917 Slipher zmierzył przesunięcia dopplerowskie 25 mgławic spiralnych, a tylko trzy mgławice wykazywały przesunięcie ku fioletowi. Doszedł on do – słusznego – wniosku, że mgławice spiralne znajdują się poza Drogą Mleczną, a te wskazujące na przesunięcie ku czerwieni oddalają się od nas z ogromną prędkością. Slipher położył podwaliny pod dokonane niewiele później, ważne odkrycia w dziedzinie astronomii.

Zagadkowa sprzeczność

Pod koniec lat dwudziestych XX wieku Georges Lemaître i Edwin Hubble odkryli, że Wszechświat się rozszerza. Porównując odległości do galaktyk z ich przesunięciami ku czerwieni (biorąc za podstawę dane Sliphera), ustalili oni szybkość rozszerzania się Wszechświata, określaną obecnie mianem stałej Hubble’a-Lemaître’a i oznaczaną symbolem H₀. Pierwsze szacunki wartości tej stałej doprowadziły jednak do zagadkowej sprzeczności.

Przyjmując założenie, że ekspansja Wszechświata zwalniała od chwili Wielkiego Wybuchu ze względu na działanie przyciągającej siły grawitacji, pierwszy szacunek wartości H₀ wskazywał, że Wszechświat ma zaledwie 1,5 miliarda lat. Był to problem, ponieważ już w latach dwudziestych XX wieku dane geologiczne dotyczące Ziemi wskazywały na znacznie większy wiek naszej planety.

Z upływem czasu precyzyjniejsze pomiary H₀ zredukowały tę rozbieżność, ale wciąż istniało napięcie między wiekiem Wszechświata, nazywanym „wiekiem Hubble’a”, a wiekiem indywidualnych obiektów w naszej galaktyce, zwłaszcza wiekiem gromad kulistych.

Gromady kuliste są gęstymi, kulistymi zgromadzeniami setek tysięcy do milionów gwiazd i uznaje się je za jedne z najstarszych obiektów w naszej galaktyce. Prawdopodobnie powstały one wcześnie z tej samej chmury gazu, która później uległa kolapsowi i utworzyła Drogę Mleczną. Niska obfitość pierwiastków ciężkich, takich jak żelazo, w gromadach kulistych (niekiedy wynosząca mniej niż 1 procent pierwiastków ciężkich w Słońcu) wskazuje, że gromady te powstały przed utworzeniem większej liczby gwiazd.

Stała kosmologiczna

W latach osiemdziesiątych XX wieku szacowano, że wiek najstarszych gromad kulistych wynosi od 16 do 20 miliardów lat, co również było niezgodne z wiekiem Hubble’a, który szacowano wówczas na 10 do 15 miliardów lat. Ta rozbieżność zachęciła naukowców do ponownego rozważenia idei stałej kosmologicznej.

Stała kosmologiczna, pierwotnie zaproponowana przez Alberta Einsteina, to dodatkowy termin w jego równaniach, który odnosi się do czynnika przeciwdziałającego przyciągającej sile grawitacji i powodującego przyspieszanie ekspansji Wszechświata. Jeśli ekspansja Wszechświata przyspiesza, to w przeszłości musiałby się on rozszerzać wolniej, a w związku z tym galaktyki osiągnęłyby swoje obecne lokalizacje w dłuższym czasie. W konsekwencji oznaczałoby to, że Wszechświat jest starszy niż wskazuje wiek Hubble’a obliczony przy założeniu stałej szybkości ekspansji.

Kiedy jednak szacunki wieku gromad kulistych zaczęły przynosić niższe wartości w świetle nowej wiedzy na temat ewolucji gwiazd, rozbieżność w stosunku do wieku ekspandującego Wszechświata zmalała. W tym samym czasie inne dane kosmologiczne, wliczając w to obserwacje mikrofalowego promieniowania tła (będącego poświatą Wielkiego Wybuchu), odległości do supernowych typu Ia oraz wielkoskalowy rozkład galaktyk, zaczęły potwierdzać ideę Wszechświata, w którym obowiązuje stała kosmologiczna.

W ciągu minionych kilkudziesięciu lat pomiary H₀ stawały się coraz precyzyjniejsze. Doprowadziło to do ujawnienia kolejnego problemu. „Lokalna” wartość, ustalona na podstawie drabiny odległości kosmicznych przy wykorzystaniu cefeid i supernowych, wynosi około 5 sigma (5 odchyleń standardowych) względem wartości określonej na podstawie promieniowania tła wczesnego Wszechświata. Inaczej mówiąc, istnieje tylko jedna szansa na 3,5 miliona, że te dwie wartości rzeczywiście będą ze sobą zgodne.

W celu rozwiązania tego problemu zaproponowano cztery typy wyjaśnień: (1) systematyczne błędy pomiarów, (2) lokalne anomalie, (3) nową fizykę wykraczającą poza standardowy model Wielkiego Wybuchu, w którym obowiązuje stała kosmologiczna, albo (4) modyfikacje teorii wczesnego Wszechświata. Z każdym kolejnym dniem staje się coraz mniej prawdopodobne, że mamy do czynienia z systematycznymi błędami pomiaru. Ostatnio obserwacje przeprowadzone z użyciem Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba potwierdziły dokonaną z wykorzystaniem Kosmicznego Teleskopu Hubble’a kalibrację supernowych typu Ia z cefeidami w pobliskich galaktykach¹.

Obalenie teorii Wielkiego Wybuchu?

Nie znam rozwiązania problemu stałej H₀. Jednego jestem jednak całkiem pewny: nie zbliżamy się do obalenia teorii Wielkiego Wybuchu. Zauważmy, że zarówno stała H₀, jak i mikrofalowe promieniowanie tła wskazują na istnienie wcześniejszej epoki, w której Wszechświat był znacznie mniejszy, gęstszy i gorętszy. Ponadto szacunki stałej H₀ nie różnią się od siebie tak znacząco, jeśli rozpatrzymy je w kategoriach bezwzględnych: 73 km/s/Mpc dla wartości lokalnej i 67 km/s/Mpc dla wartości wczesnego Wszechświata (podane jednostki odczytuje się jako „kilometry na sekundę na megaparsek”).

Problem można też odwrócić i zapytać, jak wiek najstarszych obiektów ogranicza wartość stałej H₀? Andrea Cimatti i Michele Moresco² obliczyli, że wiek najstarszych gwiazd wskazuje, że wartość stałej H₀ wynosi <73 km/s/Mpc. Ta wartość jest zgodna z obiema oszacowanymi wartościami stałej H₀.

Guillermo Gonzalez

Oryginał: The “Hubble Tension” and the Big Bang, „Evolution News & Science Today” 2024, April 28 [dostęp: 20 VI 2025].

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan

Literatura: