Ez az 1990-es évek elején volt. A kaliforniai Pasadena-ban található Carnegie Obszervatórium üres a karácsonyi szünetre. Wendy Friedman, egyedül a könyvtárban, egy hatalmas és fárasztó problémán dolgozott: az univerzum tágulásának ütemén. Carnegie termékeny talaj volt az ilyen munkához. Itt volt, 1929-ben, amikor Edwin Hubble először látta a Tejút útjától távozó távoli galaxiseket, amelyek a táguló tér külső patakjában ugráltak. Ennek az áramlásnak a sebességét Hubble-állandónak nevezték.
Friedman csendes munkája hamarosan megszakadt, amikor Allan Sandage, csillagász csillagász, Hubble tudományos utódja berohant a könyvtárba, és évtizedek óta uralkodott és finomította a Hubble-állandót, következetesen védve a lassú terjeszkedés ütemét. Friedman volt az egyik utolsó, aki a magasabb tarifákat támogatta, Sandage pedig eretnekségeinek a felfedezését látta.
„Annyira mérges volt” - emlékszik vissza Friedman, aki most a Chicagói Egyetemen van, az illinoisi államban -, hogy abban a pillanatban rájöttem, hogy egyedül állunk az egész épületben. Léptem egy lépést hátra, és azt gondoltam, hogy nem a tudományterületek legbarátságosabbán dolgozunk.
Ez a konfrontáció elmúlt, de nem teljesen. Sandage 2010-ben meghalt, és addigra a legtöbb csillagász konvergált a keskeny sávú Hubble állandóval. A legfrissebb adatok, amelyeket maga Sandage is szeretett volna, arra utalnak, hogy a Hubble-állandó 8% -kal alacsonyabb, mint a vezető szám. A csillagászok közel egy évszázaddal úgy számolták meg, hogy gondosan megmérik a távolságot az univerzum legközelebbi részében, és továbbmozdulnak. Az utóbbi időben az asztrofizikusok azonban a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) térképei alapján állandó külső értéket mértek, amely a Nagyrobbanás foltos utánvilágítása lett a látható világegyetem hátteréül. Feltételezéseket tehetünk arról, hogy az univerzumban az energia és az anyag tolódása és -húzása megváltoztatta a kozmikus terjeszkedés ütemét a kozmikus mikrohullámú háttér kialakulása óta,az asztrofizikusok felvehetik a diagramjaikat, és a Hubble-állandót a jelenlegi helyi világegyetemhez igazíthatják. A számoknak egyezniük kell. De nem egyeznek.
Talán van valami baj az egyik megközelítésben. Mindkét fél hibákat keres saját és mások módszereiben, és olyan magas rangú személyek, mint Friedman, sietve mutatják be saját javaslatukat. "Nem tudjuk, hová vezet ez" - mondja Friedman.
De ha nem születik megállapodás, akkor repedés lesz a modern kozmológia szilárdságában. Ez azt jelentené, hogy a meglévő elméletekből hiányzik egy olyan összetevő, amely beavatkozott a jelen és az ősi múlt között, beágyazódott a CMB és a jelenlegi Hubble-állandó kölcsönhatásainak láncába. Ha igen, a történelem megismétlődik. Az 1990-es években Adam Riess, jelenleg a Marylandi Baltimore-i Johns Hopkins Egyetem asztrofizikusa, vezette az egyik olyan csoportot, amely felfedezte a sötét energiát, egy visszataszító erőt, amely felgyorsítja az univerzum kibővülését. Ez az egyik tényező, amelyet a CMB számításainak figyelembe kell venniük.
Most Riesz csapata a Hubble-állandót keresi a közeli űrben és azon túl. Célja nem csak a szám tisztázása, hanem annak megfigyelése is, hogy az idővel úgy változik-e, hogy még a sötét energia sem tudja megmagyarázni. Eddig alig érti, mi lehet a hiányzó tényező. És nagyon érdekli, mi történik.
Promóciós videó:
1927-ben Hubble túljutott a Tejúton, fegyverrel ellátva az akkoriban a világ legnagyobb távcsövével, a 2,5 méteres Hooker távcsővel, amely Wilson hegyén helyezkedik el Pasadena felett. Lefényképezte azokat a halvány spirálfoltokat, amelyeket manapság galaxisoknak ismerünk, és megmérte fényük vörösségét, amikor Doppler elmozdul a hosszú fényhullámok felé. Összevetve a galaxisok vöröseltolódását fényerősségükkel, Hubble érdekes következtetésre jutott: minél halványabb volt és feltehetőleg minél távolabbi volt a galaxis, annál gyorsabban távolodott el. Következésképpen az univerzum bővül. Ez azt jelenti, hogy az Univerzum véges korú, amely a Nagy Villámmal kezdődött.
Kozmikus ellentmondás
A vita a Hubble-állandóról és az Univerzum terjeszkedési sebességéről megújult lendülettel kezdődött. A csillagászok egy bizonyos időpontban érkeztek meg a távolságok klasszikus létráján vagy a helyi világegyetem csillagászati megfigyelésein. Ezek az értékek azonban ellentmondásban állnak a korai világegyetem térképeiből készített, a mai naphoz kapcsolódó kozmológiai becslésekkel. Ebből az ellentmondásból következik, hogy az univerzum növekedése táplálhatja a hiányzó összetevőt.
A tágulási sebesség - és a hozzá tartozó állandó - meghatározásához a Hubble-nak valós távolságokra volt szüksége a galaxisoktól, nem csupán a látszólagos fényerőn alapuló relatív távolságoktól. Ezért elindította a távoli lépcsők építésének fáradságos folyamatát - a Tejútból a szomszédos galaxisokig és azon túl, a kiterjedő űr szélén. A létrák minden egyes fokát "standard gyertyákkal" kell kalibrálni: tárgyak, amelyek úgy mozognak, pulzálnak, villognak vagy forognak, hogy pontosan meg tudja mondani, milyen messze vannak.
Az első szakasz elég megbízhatónak tűnt: a cepeideknek nevezett változó csillagok, amelyek több nap vagy hét alatt növelik és csökkentik a fényerőt. Ennek a ciklusnak a hossza jelzi a csillag belső fényerejét. A Cepheid megfigyelt fényerejét és a rezgéseiből származó fényerőt összehasonlítva Hubble kiszámította a távolságot. A Mount Wilson teleszkóp több cefeidet képes elkészíteni a közeli galaxisokban. A távoli galaxisok esetében feltételezte, hogy a bennük lévő fényes csillagok belső fényereje azonos. Még a legtávolabbi galaxisokban is, a Hubble javaslata szerint, szabványos gyertyák lesznek, egyenletes fényerővel.
Nyilvánvaló, hogy ezek a feltételezések nem voltak a legjobbak. Az első állandó, amelyet a Hubble közzétett, 500 km / s / megaparsec volt - vagyis minden 3,25 millió fényévre, amikor ő űrbe vonult, a bővülő világegyetem másodpercenként 500 kilométer sebességgel hajtotta a galaxisokat. Ez a szám helytelen volt, és azt sugallta, hogy a világegyetem csak 2 milliárd éves volt, vagyis csaknem hétszer kevesebb, mint ahogy azt ma gondolják. De ez csak a kezdet volt.
1949-ben befejeződött az építés 5,1 méteres távcsövön Palomarban, Kalifornia déli részén, éppen a Hubble szívrohamának ideje alatt. A köpenyt átadta Sandage-nak, egy adu megfigyelõjének, aki az elkövetkezõ évtizedeket éjszakai ülések során fotólemezek fejlesztésével töltötte, óriási távcsöves készülékekkel dolgozott, reszketett a hidegbõl és szünetet igényel.
A Palomar nagyobb felbontása és nagy fényvisszaverő képessége révén a Sandage képes volt a cefeideket kihúzni a távoli galaxisokból. Azt is rájött, hogy Hubble fényes csillagai lényegében egész csillagfürtök voltak. A természetükben világosabb voltak, és ennélfogva sokkal távolabb álltak, mint a Hubble gondolta, amely többek között a korrekciók között sokkal alacsonyabb Hubble-állandót jelentett. Az 1980-as években Sandage 50 éves korában telepedett le, amelyet hevesen megvédte. Az egyik leghíresebb ellenzője, a francia csillagász Gerard de Vaucouleurs 50-et javasolt. A kozmológia egyik legfontosabb paramétere szó szerint megduplázódott.
Az 1990-es évek végén Friedman, miután túlélte Sandage verbális visszaélését, feladatát állította rá, hogy ezt a puzzle-t egy új eszközzel oldja meg, mintha szándékosan a munkájára tervezte volna: a Hubble Űrtávcsővel. A légkör feletti tiszta áttekintése lehetővé tette, hogy Friedman csapata tízszeresen azonosítsa az egyes cefeideket, mint Sandage Palomarral. Időnként ezekben a galaxisokban egyaránt voltak cefeidek és fényesebb jeladók - Ia típusú szupernóvák. Ezek a robbanó fehér törpe csillagok az űrben láthatók és állandó és maximális fényerő mellett kitörnek. A cefeidekhez kalibrálva a szupernóvák önmagukban felhasználhatók az űr legtávolabbi szakaszának kipróbálására. 2001-ben a Friedman csapata a Hubble-állandót 72-re plusz vagy mínusz 8-ra szűkítette, véget vetve a Sandage-de Vaucouleurs viszályának. "Kimerültem" - mondja. "Azt gondoltam,soha ne menj vissza a Hubble állandó-ra."
Edwin Hubble
De aztán megjelent egy fizikus, aki egy független módszert talált a Hubble állandó kiszámítására a legtávolabbi és vöröseltolódott - a mikrohullámú háttér felhasználásával. 2003-ban a WMAP szonda közzétette első térképét, amely megmutatta a CMB hőmérsékleti ingadozásának spektrumát. Ez a térkép nem egy általános gyertyát adott, hanem egy általános kritériumot: az ősi levesben lévő forró és hideg foltok mintája, amelyet az újszülött világegyetemben hullámzó hanghullámok hoztak létre.
A WMAP csapata számíthatott ezeknek az elsődleges hanghullámoknak a fizikai méretére, amikor több feltételezést tett az e tápanyag összetevőiről - ismert részecskék, atomok és fotonok, néhány további láthatatlan anyag, például sötét anyag és sötét energia formájában. Össze lehet hasonlítani a CMB foltokban rögzített hanghullámok látszólagos méretével. Ez az összehasonlítás megadta a távolságot a mikrohullámú háttérhez és az univerzum tágulási sebességének értékét abban a kezdeti pillanatban. Feltételezve, hogy azóta a normál részecskék, a sötét energia és a sötét anyag megváltozott-e az expanzióban, a WMAP csapata képes volt az állandót az aktuális megfordulási sebességéhez igazítani. Eredetileg 72-et számoltak le annak alapján, amit Friedman talált.
Azóta azonban a Hubble állandó csillagászati mérései magasabb értékeket mutattak, bár a hiba csökkent. A legfrissebb publikációkban Riess előrelépett egy infravörös kamerával, amelyet 2009-ben telepítettek a Hubble teleszkóphoz, amely meghatározhatja mind a Tejút kefeidjeitől való távolságot, mind pedig a legtávolabbi, vöröses unokatestvéreiket kiemelheti a kékeszközök körül körülvevő, kékesebb csillagok között. A Riess csapat utolsó eredménye 73,24 volt.
Eközben a Planck misszió (ESA), amely a CMB-t nagy felbontású és fokozott hőmérsékleti pontossággal mutatta meg, 67,8-ra állt le. A statisztikai törvények szerint ezt a két mennyiséget 3,4 szigma rés választja el egymástól - nem 5 szigma, ami a részecskefizikában jelentős eredményről beszél, hanem szinte. "Nehéz ezt statisztikai hibával magyarázni" - mondja Chuck Bennett, a Johns Hopkins Egyetem asztrofizikusa, aki a WMAP csapata vezette.
Mindkét oldal az ujját a másikra mutat. Georg Ephstatius, a Cambridge-i Egyetem Planck csapatának vezető kozmológusa szerint Planck adatai "teljesen megrázkódtathatatlanok". A Planck 2013. évi eredményeinek friss elemzése ráébredt. Letöltötte a Riesz-adatokat, és alacsonyabb és kevésbé pontos Hubble-állandóval közzétette saját elemzését. Úgy véli, hogy a csillagászok "piszkos" létrára vándoroltak.
A csillagászok válaszul azt állítják, hogy ténylegesen mérik a modern világegyetemet, mivel a CMB mérési módszer sok kozmológiai feltevésen alapszik. Azt mondják, ha nem konvergálnak, miért nem változtatnánk meg a kozmológián? Ehelyett: "Georg Ephstatius kijött és azt mondja, átgondolom az összes adatát" - mondja Barry Mador a Chicagói Egyetemen, a férj és a Friedman kollégája az 1980-as évek óta. Mit kell tenni? A gordiai csomót meg kell vágni.
Wendy Friedman úgy vélte, hogy 2001-es tanulmánya feltárta a Hubble-állandót, ám az ellentmondások uralkodtak.
A csillagászok oldalán létezik egy módszer, amelyet gravitációs lencsének hívnak. Egy hatalmas galaxis körül önmagában a gravitáció eltorzítja az óriási lencsét, amely torzíthatja a távoli fényforrásból származó fényt, mint egy kvazár. Ha a lencse és a kvazár igazodása biztos, a fény több út mentén rohan a Föld felé, és sok képet hoz létre a lencse galaxisból. Ha szerencséd van, a kvazár fényereje megváltozik, vagyis villog. Mindegyik klónozott kép villogni fog, de nem egyszerre, mert az egyes képek fénysugarai eltérő utat vezetnek a torz térben. A villódzások közötti késés az út hosszának különbségét jelzi; összeillesztve őket a galaxis méretével, a csillagászok trigonometria segítségével kiszámíthatják a lencse galaxistól való abszolút távolságot. Csak három galaxist mértek gondosan ily módon, további hatot jelenleg vizsgálnak. Január végén Sherri Suyu, az asztrofizikus a németországi Max Planck Asztrofizikai Intézetből és kollégái közzétették a Hubble-állandóra vonatkozó legjobb számításaikat. „Méreteink illeszkednek a létra távolság megközelítéséhez” - mondja Suyu.
Időközben a kozmológusoknak is ütőkártyájuk van: baryonic akusztikus oszcillációk (BAO). A világegyetem érésével ugyanazok a hullámhullámok, amelyeket a CMB-re nyomtattak, anyagcsomókat hagytak, amelyek galaktikus klaszterekké nőttek. A galaxisok égbolton való elhelyezkedésének meg kell őriznie a hanghullámok eredeti arányát, és - mint korábban - a látszólagos mintázatnak a kiszámított tényleges méretével történő összehasonlítása meghatározza a távolságot. A CMB módszerhez hasonlóan a BAO módszer kozmológiai feltételezést is lehetővé tesz. De az elmúlt években a Hubble állandó értékeit Planck-kel megegyezően tartotta fenn. A Sloan Digital Sky Survey negyedik iterációja, a globális égbolt felmérése, amely feltérképezi a galaktikus térképet, segíteni fogja ezeknek a méréseknek a finomítását.
Ez nem azt jelenti, hogy a távolságok létrájáért versenyző csapatok és a CMB egyszerűen csak más módon várja a vita rendezését. A távolságlépés, a tejútben lévő cefeidektől való távolság megszilárdításához az Európai Űrügynökség Gaia missziója megpróbálja meghatározni a távolságot egymilliárd különböző közeli csillaghoz, ideértve a cefeideket is. A Gaia, amely a Föld körül kering a Napon, a legmegbízhatóbb mérést használja: a parallaxot vagy a csillagok látszólagos eltolódását az ég hátterehez képest, amikor az űrhajó a pályáján ellentétes pontokat ér el. Amikor a teljes Gaia adatkészlet 2022-ben megjelenik, ez további alapot fog nyújtani a csillagászok bizalmához. Riess már talált tippeket magasabb Hubble-állandójának javára, amikor előzetes Gaia-eredményeket alkalmazott.
A kozmológusok azt is remélik, hogy megerősítik méréseiket a chilei Atacama kozmológiai távcsővel és a déli pólusú távcsővel, amelyek tesztelhetik a Planck nagy pontosságú eredményeit. És ha az eredmények megtagadják a konvergenciát, akkor a teoretikusok megpróbálják megszüntetni a rést. „Jó, ha a modell összeomlik. A modell validálása nem érdekes."
Például hozzáadhat egy további részecskét az univerzum standard modelljéhez. A CMB röviddel a nagy robbanás után, amikor az anyagra és nagy energiájú sugárzásra oszlik, becslést nyújt az energia teljes költségvetéséről. Amint Einstein híres E = mc2 ekvivalenciaképletéből következik, az energia anyagként viselkedett, lelassítva a tér tágulását gravitációjával. De az anyag egy hatékonyabb fék. Az idő múlásával a sugárzás - a fény fotonjai és más fényrészecskék, mint például a neutrinók - lehűltek és energiát veszítettek, a gravitációs hatás gyengült.
Jelenleg háromféle neutrinó ismert. Ha lenne egy negyedik, ahogyan egyes teoretikusok javasolták, lenne egy kicsit több a világegyetem eredeti energiaköltségének sugárzási oldalán, és ez a rész gyorsabban eloszlik. Ez viszont azt jelentené, hogy a korai világegyetem gyorsabban bővült, mint azt a modern kozmológia alkotóelemeinek listája megjósolja. A jövőben ez a kiegészítés két különféle eredményt eredményezhet. A neutrinodetektorok azonban még nem fedtek fel semmiféle utalást a 4. típusú neutrinókra, és Planck más mérései korlátozták a túlzott sugárzás mennyiségét.
Egy másik lehetőség az úgynevezett fantom sötét energia. Az igaz kozmológiai modellek a sötét energián keresztül állandó erőt jelentnek. Ha a sötét energia az idő múlásával erősödik, akkor ez megmagyarázza, hogy a kozmosz miért gyorsabban bővül ma, mint gondolnánk a korai világegyetemre nézve. A változó sötét energia azonban teljesen feleslegesnek tűnik. A kozmológusok és az asztrofizikusok hajlamosak azt hinni, hogy a problémák a meglévő módszerekben rejlenek, nem pedig az új fizikában.
Friedman úgy véli, hogy az egyetlen megoldás - a tűz elleni küzdelem - a világegyetem új megfigyeléseiben rejlik. Madorral együtt külön mérést készülnek készíteni, amelyet nem csak a cefeidek, hanem más típusú változó csillagok és élénkvörös óriások számára is kalibráltak. A legközelebbi példákat egy 30 centiméter széles automatikus távcsővel lehet tanulmányozni, a távoli példák segítenek a Hubble és a Spitzer űrteleszkóp felfedezésében. Miután képes megbirkózni a sötét és erőszakos Sandage-lal, készen áll arra, hogy válaszoljon a Planck és a Riesz csapat merész kihívására.
„Azt mondták, hogy tévedtünk. Nos, lássuk - viccelődik.
ILYA KHEL
