Astronomové potvrdili poněkud neočekávané fungování vesmíru

Astronomové využívající k pozorování Hubbleův kosmický teleskop HST uskutečnili nejpřesnější měření rychlosti rozpínání vesmíru od jejího prvního určení před téměř jedním stoletím. Neobvyklé závěry přinutily astronomy vzít v úvahu, že možná objevili důkazy poněkud neočekávaného fungování vesmíru. Nejnovější objevy z HST ukazují, že vesmír expanduje v současné době rychleji, než bylo předpokládáno na základě jeho pozorované trajektorie krátce po Velkém třesku.

Vědecká komunita se nyní snaží pochopit význam tohoto nesouladu,“ říká hlavní vědecký pracovník a nositel Nobelovy ceny Adam Riess ze Space Telescope Science Institute (STScI) a Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland. Adam Riess je nositelem Nobelovy ceny z roku 1998 za objev zrychlující se expanze vesmíru.

Připojený obrázek v úvodu článku ukazuje tři kroky použité astronomy ke změření rychlosti rozpínání vesmíru s nebývalou přesností (k určení tzv. Hubbleovy konstanty), snižující celkovou nejistotu na 2,3 % a potvrzující vzdálenosti jednotlivých příček „kosmického metru“, který je použit k přesnému změření vzdáleností blízkých i vzdálenějších galaxií vůči Zemi.

Tým astronomů, jehož vedoucím byl Adam Riess a do nějž patřil také Stefano Casertano, rovněž z STScI a Johns Hopkins, využil pozorování HST za uplynulých šest let ke zlepšení přesnosti měření vzdáleností galaxií a využil jejich hvězdy jako význačné milníky. Tato měření byla použita k výpočtu rychlosti rozpínání vesmíru v čase, což je hodnota známá jako Hubbleova konstanta. Nové výzkumy týmu rozšířily počet vhodných hvězd k určování vzdáleností 10× dále do vesmíru než předcházející měření uskutečněná pomocí Hubbleova vesmírného  teleskopu.

TIP:   Co na obloze oko nevidí? Třeba tanec dvou superhmotných černých děr

Avšak hodnota určená týmem Adama Riesse potvrdila odlišnost od hodnoty odvozené z pozorování rozpínání mladého vesmíru, z doby 378 000 let po Velkém třesku, což je událost, která vedla ke vzniku vesmíru zhruba před 13,8 miliardami roků. Tato měření uskutečnila družice Planck Evropské kosmické agentury ESA, která mapovala kosmické mikrovlnné pozadí, tj. pozůstatek záření z doby Velkého třesku. Rozdíl mezi oběma hodnotami je kolem 9 %.

Výsledky z družice Planck předpovídaly, že hodnota Hubbleovy konstanty by měla nyní být 67 kilometrů za sekundu na Megaparsek. To znamená, že každých 3,3 miliónu světelných let dál od naší Galaxie se objekty vzdalují o 67 km/s rychleji. Avšak tým Adama Riesse naměřil hodnotu 73 kilometrů za sekundu na Megaparsek, z čehož vyplývá, že se galaxie vzdalují větší rychlostí, než vyplývá z pozorování mladého vesmíru.

Data z Hubbleova teleskopu jsou tak přesná, že astronomové nemohou odmítnout rozdíl mezi dvěma výsledky jako chyby jednotlivých měření nebo chyby použitých metod. „Oba výsledky byly prověřovány četnými metodami,“ vysvětluje Adam Riess. „Je stále více pravděpodobné, že to není chyba, ale charakteristická vlastnost vesmíru.“

Obtížné vysvětlení nesrovnalostí

Adam Riess načrtl několik možných vysvětlení tohoto nesouladu: všechny souvisejí s 95 % vesmíru, které jsou zahaleny v temnotě. Jednou z možností je, že temná energie, o které víme, že stojí za urychlováním rozpínání vesmíru, může „odstrkovat“ galaxie jednu od druhé s narůstající silou. To znamená, že samotná akcelerace vesmíru nemá konstantní hodnotu, ale mění se s časem.

Další možností je, že vesmír obsahuje neznámé subatomové částice, které se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla. Tyto rychlé částice jsou souhrnně označovány jako „temné záření“ a zahrnují dříve známé částice, jako jsou neutrina, která jsou vytvářena při jaderných reakcích a radioaktivním rozpadu. Na rozdíl od normálních neutrin, která interagují prostřednictvím subatomárních sil, tyto nové částice jsou ovlivňovány pouze gravitací a jsou označovány jako „sterilní neutrina“.

Ještě jinou vábivou možností je skutečnost, že temná hmota (neviditelná forma hmoty, kterou netvoří protony, neutrony a elektrony) interaguje mnohem silněji s normální hmotou nebo zářením, než se předpokládá. Jakýkoliv z těchto scénářů by však změnil složení mladého vesmíru, což by vedlo k nejednotnosti teoretických modelů. Tento rozdíl by vyústil v nesprávnou hodnotu Hubbleovy konstanty odvozenou z pozorování mladého vesmíru.

Adam Riess se svými spolupracovníky stále ještě neznají odpovědi na řešení tohoto obtížného problému, avšak tento tým pokračuje v práci na upřesnění rychlosti rozpínání vesmíru. Zatím snížili nepřesnost určení na 2,3 %. Před érou Hubbleova teleskopu byla nejistota hodnoty Hubbleovy konstanty mnohonásobně vyšší.

Před vypuštěním HST v roce 1990 nemohli astronomové rozhodnout, je-li stáří vesmíru 10 nebo 20 miliard let,“ řekla Wendy Freedman z Observatories of the Carnegie Institution of Washington. Jedním z hlavních cílů HST bylo pomoci astronomům snížit velikost této chyby na méně než 10 %. Od roku 2005 se podařilo zlepšit přesnost Hubbleovy konstanty na hodnotu, která umožňuje lepší pochopení vývoje vesmíru.

Přesné milníky vzdálenosti

Hodnota Hubbleovy konstanty je pouze tak přesná, jak přesná jsou samotná měření. Astronomové nemohou použít pásmo k přímému změření vzdáleností mezi galaxiemi. Místo toho si vybrali zvláštní třídy hvězd a supernov jako kosmická měřítka či vyznačené milníky k přesnému změření vzdáleností galaxií.

Mezi většinou milníků pro spolehlivé určení blízkých vzdáleností jsou proměnné hvězdy – tzv. cefeidy – což jsou pulsující hvězdy, které mění svoji jasnost v poměru odpovídajícím jejich skutečné jasnosti. Jejich vzdálenosti proto mohou být odvozeny porovnáním jejich skutečné jasnosti s jejich zdánlivou jasností, jak se nám jeví při pohledu ze Země.

Připojený snímek z HST zachycuje 2 z 19 galaxií analyzovaných za účelem určení hodnoty Hubbleovy konstanty. Galaxie NGC 3972 (vlevo) je vzdálena 65 miliónů světelných roků a NGC 1015 leží ve vzdálenosti 118 miliónů světelných roků od Země. Žlutými kroužky jsou vyznačeny polohy cefeid.

Astronomka Henrietta Leavittová jako první již v roce 1913 rozpoznala přínos proměnných hvězd typu cefeid k určování vzdáleností ve vesmíru. Avšak prvním krokem k určení vzdáleností cefeid nezávisle na jejich jasnosti bylo použití základního geometrického nástroje, kterým je tzv. paralaxa. Ta je základním prostředkem k určení vzdálenosti objektů na základě známé změny polohy pozorovatele. Tato technika byla vynalezena starými Řeky, kteří používali tato měření k určení vzdálenosti Měsíce od Země.

Poslední výsledky z HST jsou založeny na měření paralax osmi nově studovaných cefeid v naší Galaxii – Mléčné dráze. Tyto hvězdy jsou desetkrát vzdálenější než dříve zkoumané cefeidy, tj. leží v rozmezí 6 000 až 12 000 světelných let od Země, což je mnohem náročnější pro měření. Pulsují na mnohem delších časových intervalech, zrovna tak jako cefeidy pozorované Hubbleovým teleskopem ve vzdálených galaxiích obsahujících další spolehlivé milníky – explodující hvězdy označované jako supernovy typu Ia. Tento typ supernov se rozzáří na jednotnou jasnost dostatečně silnou, aby byly pozorovatelné na velkou vzdálenost. Dřívější pozorování prostřednictvím HST byla zaměřena na cefeidy ve vzdálenostech 300 až 1 600 světelných roků od Země.

Detailní skenování poloh hvězd

Ke změření paralaxy pomocí HST astronomové zkoumali zdánlivě nepatrné kmitání poloh cefeid z důvodu oběhu Země kolem Slunce. Toto kmitání odpovídalo přibližně zdánlivé velikosti zrníčka písku pozorovaného ze vzdálenosti 160 km. Proto k zajištění preciznosti měření astronomové vyvinuli důmyslné metody, které nebyly známy před vypuštěním Hubbleova teleskopu. Výzkumníci vymysleli techniku skenování, při níž teleskop měřil přesné polohy hvězd každých šest měsíců v průběhu čtyř let.

Tým kalibroval přesné jasnosti osmi pomalu pulsujících hvězd a vzájemně je srovnával s jejich mnohem vzdálenějšími blikajícími sourozenci ke zmenšení nepřesností v určení jejich vzdálenosti. Následně astronomové porovnali jasnosti cefeid a supernov v těchto galaxiích s lepší jistotou, takže mohli mnohem přesněji změřit skutečné jasnosti hvězd, a tudíž vypočítat vzdálenosti stovek supernov ve vzdálených galaxiích s mnohem větší přesností.

Další předností této studie je, že vědecký tým použil stejný pozorovací přístroj – Wide Field Camera 3 na palubě HST – ke kalibraci svítivosti jak blízkých cefeid, tak i obdobných hvězd v jiných galaxiích, čímž se podařilo eliminovat systematické chyby, které se téměř nevyhnutelně vyskytují při porovnávání měření z různých dalekohledů.

Cílem astronomů je další snížení chyby měření na základě využití dat z Hubbleova teleskopu a evropské kosmické observatoře Gaia, která měří polohy a vzdálenosti hvězd s nebývalou přesností. Výsledky pozorování byly publikovány ve vědeckém časopise Astrophysical Journal, viz doporučený odkaz o kousek níže.

Zdroj: Hvězdárna Valašské Meziříčí, (NASA, SciTechDaily), autor: František Martínek, foto: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU), NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU). Doporučený odkaz: New Parallaxes of Galactic Cepheids from Spatially Scanning the Hubble Space Telescope: Implications for the Hubble Constant