Novo mjerenje bi moglo promijeniti naše razumijevanje Svemira

Kada je riječ o mjerenju brzine širenja Svemira, rezultat ovisi o tome s koje strane Svemira počnete. Nedavna studija EPFL-a kalibrirala je najbolje kozmičke mjerne jedinice s neviđenom točnošću, bacajući novo svjetlo na takozvanu Hubbleovu napetost.

Svemir se širi – ali koliko brzo točno? Odgovor očito ovisi o tome procjenjujete li stopu kozmičke ekspanzije – poznatu kao Hubbleovu konstantu ili H0 – na temelju eha Velikog praska (kozmičke mikrovalne pozadine, ili CMB) ili izravno mjerite H0 temeljem današnjih zvijezda i galaksija. Ovaj problem, poznat kao Hubbleova napetost, zbunjuje astrofizičare i kozmologe širom svijeta.

Studija koju je provela istraživačka grupa Stellar Standard Candles and Distances, koju vodi Richard Anderson sa Instituta za fiziku EPFL-a, dodaje novi dio slagalice. Njihovo istraživanje, objavljeno u časopisu Astronomy & Astrophysics, postiglo je najtočniju kalibraciju Cepheid zvijezda – vrste promjenjive zvijezde čija se svjetlina mijenja u definiranom razdoblju – za mjerenje udaljenosti do danas, na temelju podataka prikupljenih tijekom misije Europske svemirske agencije (ESA) Gaia. Ova nova kalibracija dodatno pojačava Hubbleovu napetost.

Hubbleova konstanta (H0) dobila je ime po astrofizičaru koji je, zajedno s Georgesom Lemaîtreom, otkrio fenomen krajem 1920-ih. Mjeri se u kilometrima po sekundi po megaparseku (km/s/Mpc), gdje je 1 Mpc otprilike 3,26 milijuna svjetlosnih godina.

Najbolje izravno mjerenje H0 koristi “kozmičku ljestvicu udaljenosti”, čija prva prečka počiva na apsolutnoj kalibraciji sjaja Cepheida, sada preračunatoj u studiji EPFL-a. Zauzvrat, Cepheidi kalibriraju sljedeću prečku ljestvice, gdje supernove – snažne eksplozije zvijezda na kraju njihovog života – bilježe širenje samog prostora. Ova ljestvica udaljenosti, izmjerena od strane tima Supernovae, H0, za jednadžbu stanja tamne energije (SH0ES) kojeg vodi Adam Riess, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2011. godine, procjenjuje H0 na 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.

H0 se također može odrediti tumačeći CMB – koji predstavlja sveprisutno mikrovalno zračenje preostalo od Velikog praska prije više od 13 milijardi godina. Međutim, ova metoda “ranog svemira” mora pretpostaviti najdetaljnije fizičko razumijevanje kako se Svemir razvija, čineći ga ovisnim o modelu. Satelit ESA-e Planck pružio je najpotpunije podatke o CMB-u, a prema ovoj metodi, H0 iznosi 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.

Hubbleova napetost odnosi se na ovu razliku od 5,6 km/s/Mpc, ovisno o tome koristi li se metoda CMB-a (ranog svemira) ili metoda ljestvice udaljenosti (kasnog svemira). Posljedica, pod uvjetom da su mjerenja obiju metoda ispravna, jest da postoji nešto pogrešno u razumijevanju osnovnih fizičkih zakona koji upravljaju Svemirom. Prirodno, ovo veliko pitanje naglašava koliko je važno da metode astrofizičara budu pouzdane.

Nova studija EPFL-a tako važna je jer jača prvu prečku ljestvice udaljenosti poboljšavajući kalibraciju Cepheida kao tragatelja udaljenosti. Zapravo, nova kalibracija omogućuje nam mjerenje astronomskih udaljenosti unutar ± 0,9%, što snažno podržava mjerenje kasnog svemira. Osim toga, rezultati dobiveni na EPFL-u, u suradnji s timom SH0ES, pomogli su poboljšati mjerenje H0, što je rezultiralo većom preciznošću i većim značajem Hubbleove napetosti.

“Naša studija potvrđuje stopu širenja od 73 km/s/Mpc, ali što je još važnije, pruža najpreciznije i najpouzdanije kalibracije Cepheida kao alata za mjerenje udaljenosti do danas”, kaže Anderson. “Razvili smo metodu koja je tražila Cepheide koji pripadaju zvjezdanim skupinama sastavljenim od nekoliko stotina zvijezda testiranjem jesu li zvijezde zajedno kretale Mliječnim putem. Zahvaljujući ovom triku, mogli smo iskoristiti najbolje znanje o Gaia mjerenjima paralakse, uzimajući u obzir dobitak u preciznosti pružen brojnim zvijezdama članicama skupine. To nam je omogućilo da dosegnemo granice točnosti Gaia paralaksa i pružimo najčvršću osnovu na kojoj se može osloniti ljestvica udaljenosti.”

Ponovno promišljanje osnovnih koncepata

Zašto razlika od samo nekoliko km/s/Mpc ima važnost, s obzirom na ogromnu razmjernost Svemira? “Ova razlika ima ogromno značenje”, kaže Anderson. “Pretpostavimo da želite izgraditi tunel tako što ćete kopati s dvije suprotne strane planine. Ako ste ispravno razumjeli vrstu stijene i ako su vaši proračuni točni, tada će se dvije rupe koje kopate sresti u središtu. No ako se to ne dogodi, to znači da ste pogriješili – ili su vaši proračuni pogrešni ili ste pogrešni u vezi s vrstom stijene. To se događa s Hubbleovom konstantom. Što više potvrda dobijemo da su naši proračuni točni, to više možemo zaključiti da razlika znači da je naše razumijevanje Svemira pogrešno, da Svemir nije baš onakav kakvim smo ga smatrali.”

Razlika ima mnoge druge implikacije. Dovodi u pitanje same osnove, poput točne prirode tamne energije, kontinuuma prostor-vremena i gravitacije. “To znači da moramo ponovno razmisliti o osnovnim konceptima koji čine temelj našeg sveukupnog razumijevanja fizike”, kaže Anderson.

Studija istraživačke skupine pridonosi i na drugim područjima. “Budući da su naša mjerenja toliko precizna, pružaju nam uvid u geometriju Mliječnog puta”, kaže Mauricio Cruz Reyes, doktorand u Andersonovoj istraživačkoj grupi i glavni autor studije. “Visoko precizna kalibracija koju smo razvili omogućit će nam bolje određivanje veličine i oblika Mliječnog puta kao ravne disk-galaksije te njegove udaljenosti od drugih galaksija, na primjer. Naš rad također je potvrdio pouzdanost podataka Gaia uspoređujući ih s podacima dobivenim iz drugih teleskopa.”

Izvor: EPFL

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr