W poszukiwaniu kosmicznych usterek. Czy to możliwe, że teorie Einsteina, grawitacji i ciemnej materii są błędne?
Po zbadaniu, w jaki sposób masa tych galaktyk zakrzywia czasoprzestrzeń (2), odkryto niewielkie odchylenie od wynikających z teorii Einsteina przewi-dywań. Naukowcy przeanalizowali światło stu milionów galaktyk z czterech różnych punktów w okresie istnienia Wszechświata, 3,5, 5, 6 i 7 miliardów lat temu. „Odkryliśmy, że w odległej przeszłości, 6 i 7 miliardów lat temu – głębokość studni grawitacyjnych (zakrzywień czasoprzestrzeni tworzonych przez wielkie masy – przyp. red.) jest zgodna z przewidywaniami Einsteina”, powiedział w komunikacie profesor astrofizyki Isaac Tutusaus z Uniwersytetu Paula Sabatiera. „Jednak bliżej dnia dzisiejszego, 3,5 i 5 miliardów lat temu, studnie są nieco płytsze, niż przewidywał Einstein”.
Fot: AI
Naukowcy zwracają uwagę, że to właśnie w tym drugim okresie ekspansja Wszechświata zaczęła przyspieszać. W związku z tym możliwe jest, że grawitacja może działać nieco inaczej w dużej skali, niż przewidywała teoria Einsteina. „Według naszych wyników przewidywania Einsteina są niezgodne z pomiarami o 3 sigma”, wyjaśnia autorka pracy i fizyk teoretyczny UNIGE Nastassja Grimm. Jak dodała, „3 sigma” oznacza, że różnica jest interesująca i zasługuje na dalsze badania, choć zastrzega, że „na tym etapie ta niezgodność nie jest wystarczająco duża, by unieważnić teorię Einsteina. (…) Aby tak się stało, musielibyśmy osiągnąć próg 5 sigma. Niezbędne są zatem bardziej precyzyjne pomiary, aby potwierdzić lub obalić te wyniki i sprawdzić, czy teoria ta pozostaje aktualna w naszym Wszechświecie na bardzo dużych odległościach”. Wyniki badań uczonych kwestionujących teorię względności zostały opublikowane w „Nature Communications”.
Do podkopywania teorii Einsteina dołączają inni badacze ze swoimi obserwacjami. W opublikowanym w marcu 2024 r. artykule w „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics”, zespół z kanadyjskiego Uniwersytetu Waterloo twierdzi, że ogólna teoria względności Alberta Einsteina może nie być wystarczająca do wyjaśnienia przyspieszającej ekspansji Wszechświata. „Kiedy próbujemy zrozumieć grawitację w skali kosmicznej, w skali gromad galaktyk i poza nią, napotykamy widoczne niespójności z przewidywaniami ogólnej teorii względności”, powiedział główny autor publikacji, Robin Wen w komunikacie prasowym. „To prawie tak, jakby sama grawitacja przestała idealnie pasować do teorii Einsteina (…) nazywamy tę niespójność "kosmiczną usterką", która polega na tym, że grawitacja staje się o około jeden procent słabsza, gdy mamy do czynienia z odległościami rzędu miliardów lat świetlnych”.
Starego dobrego Einsteina i jego fundamentalne teorie nie jest jednak tak łatwo obalić, o czym przekonaliśmy się wraz z uczonymi, poznając wyniki analiz Instrumentu Spektroskopowego Ciemnej Energii (DESI), które były zgodne z ogólną teorią względności. Do badania Wszechświata DESI wykorzystuje teleskop Mayall w Kitt Peak National Observatory w Arizonie. Przebadano prawie pięć milionów galaktyk, w różnych odległościach, od naszego kosmicznego sąsiedztwa do tych znajdujących się tak daleko, że światło obserwowane przez DESI zostało wyemitowane jedenaście miliardów lat temu.
Astronomowie od dawna wiedzą, że galaktyki w przestrzeni kosmicznej nie są rozmieszczone regularnie. W skalach długości rzędu setek milionów lat świetlnych skupiają się w gigantycznych „ścianach” otaczających ogromne puste przestrzenie, które zawierają bardzo niewiele galaktyk. Pod wieloma względami rozmieszczenie galaktyk przypomina pianę na wierzchu szybko nalanego gazowanego napoju, z galaktykami znajdującymi się na powierzchni bąbelków. DESI zbadał rozmiar tych bąbelków w różnych odległościach od Ziemi. Badając rozmiar bąbelków w funkcji czasu, naukowcy testowali teorię względności Einsteina. Pomiary były z nią zgodne. Chociaż nie wyklucza to wszystkich możliwych innych teorii grawitacji, z pewnością wyklucza niektóre z nich.
Ciemna materia? A po co?
Einstein się więc trzyma. W opałach za to znalazły się ostatnio inne przyjęte w naukowym obiegu teorie, ciemna materia i Wielki Wybuch (3).
Fot. AI
Po analizie danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) grupa astronomów ogłosiła w listopadzie 2024 roku, że część najstarszych galaktyk w naszym Wszechświecie wydaje się znacznie większa i jaśniejsza, niż oczekiwano, co sugeruje, że powstały one wcześnie i szybko rosły, potencjalnie bez wpływu ciemnej materii. Naukowcy z Case Western Reserve University twierdzą, że skany starożytnych galaktyk zebrane przez JWST wydają się zaprzeczać powszechnie akceptowanym przewidywaniom najbardziej powszechnie akceptowanej teorii zimnej ciemnej
materii, Lambda-CDM. Według naukowców, odkrycia te dostarczają nowych poszlak na prawdziwość alternatywnej dla ciemnej materii teorii, znanej jako zmodyfikowana dynamika newtonowska (MOND).
Stopniowa hierarchiczna ewolucja galaktyk, która, jak się uważa, napędzana jest przez zimną ciemną materię, jest kluczowym elementem standardowego modelu kosmologicznego naszego Wszechświata. Była powszechnie akceptowana, ponieważ wyjaśniała różnorodne kształty i rozmiary galaktyk rozsianych w kosmosie. Nie wyjaśnia jednak tak dużych galaktyk istniejących tak wcześnie we Wszechświecie. Naukowcy zauważają, że niektóre z anomalnie jasnych źródeł zarejestrowanych przez JWST mogą być aktywnymi supermasywnymi czarnymi dziurami, a nie galaktykami, ale to tak naprawdę i tak nie pomaga, zamienia jedynie problem zbyt wielu wczesnych gwiazd w problem zbyt wielu wczesnych supermasywnych czarnych dziur.
Teoria MOND zakłada, że gdy grawitacja staje się wyjątkowo słaba, zachowuje się inaczej, niż przewidywał to Isaac Newton. Przykładem takiego osłabienia są krawędzie galaktyk. Koncepcja ta została zaproponowana przez izraelskiego fizyka Mordehaia Milgroma w 1982 roku jako hipoteza wyjaśniająca szybszą, niż oczekiwano, rotację galaktyk bez odwoływania się do ciemnej materii lub ciemnej energii. Chociaż MOND odniosła pewne sukcesy, ma jednak wielu krytyków. Astronomowie uważają, że trudno jest zintegrować tę koncepcję w jednolite ramy, które mogłyby wyjaśnić szeroki zakres obserwacji kosmologicznych. Z kolei paradygmat ciemnej materii pasuje do wielu obserwacji, ale nie wyjaśnia w pełni zjawisk przewidywanych przez MOND. Społeczność astrofizyczna pozostaje ostrożna, a wielu badaczy wskazuje, że Lambda-CDM przetrwał liczne testy i zapewnia spójne ramy dla opisu Wszechświata.
Zmęczone światło zamiast Wielkiego Wybuchu?
Najnowsze badania obserwacyjne podważają także jedną z najbardziej powszechnie akceptowanych teorii współczesnej nauki, Wielkiego Wybuchu. Wyniki, opublikowane we wrześniu 2024 r. w czasopiśmie naukowym „Particles”, sugerują, że ekspansja Wszechświata mogła nie być napędzana przez masywną eksplozję miliardy lat temu, ale raczej należy ją opisywać, wykorzystując alternatywną, do tej pory mało znaną teorię, która jednak powstała już prawie wiek temu – teorię „zmęczonego światła”.
„Teoria zmęczonego światła była pomijana, ponieważ astronomowie przyjęli teorię Wielkiego Wybuchu jako konsensus co do modelu Wszechświata”, pisze w publikacji Lior Shamir z Uniwersytetu Stanowego w Kansas. „Jednak zaufanie niektórych astronomów do teorii Wielkiego Wybuchu zaczęło słabnąć, odkąd poznaliśmy obserwacje kosmicznego teleskopu Jamesa Webba”. Chodzi m.in. o te wspominane już galaktyki, które wiekiem swoim zdają się sięgać głębiej w przeszłość niż przyjmowany moment Wielkiego Wybuchu.
Zgodnie z tą teorią, Wszechświat rozpoczął się około 13,8 miliarda lat temu z niezwykle gorącej i gęstej osobliwości, szybko rozszerzając się i z czasem stygnąc. Uważa się, że wydarzenie to położyło podwaliny pod to wszystko, co znamy jako kosmos, prowadząc do powstania galaktyk, gwiazd i planet. Teoria Wielkiego Wybuchu jest wspierana przez kilka linii dowodowych, w tym kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, rozmieszczenie galaktyk i obserwowane przesunięcie ku czerwieni światła z odległych galaktyk, co sugerowało, że Wszechświat się rozszerza.
Jednak Shamir sugeruje, że np. przesunięcie ku czerwieni niekoniecznie musi dowodzić, że Wszechświat rozszerza się w sposób sugerowany przez teorię Wielkiego Wybuchu. Zamiast tego może wspierać alternatywę: teorię „zmęczonego światła”. Po raz pierwszy zaproponowana w 1929 roku przez szwajcarskiego astronoma dr. Fritza Zwicky’ego, teoria „zmęczonego światła” oferuje inne wyjaśnienie przesunięcia ku czerwieni obserwowanego w świetle z odległych galaktyk. Zgodnie z nią, gdy światło podróżuje w przestrzeni kosmicznej, traci energię na dużych odległościach z powodu interakcji z cząstkami lub polami, powodując „zmęczenie” i przesunięcie w kierunku dłuższych fal. Proces ten dawałby wrażenie rozszerzania się Wszechświata, nie wymagając rzeczywistego ruchu galaktyk z centralnego punktu na zewnątrz, jak sugeruje teoria Wielkiego Wybuchu.
Teoria „zmęczonego światła” została początkowo odrzucona przez społeczność naukową na rzecz teorii Wielkiego Wybuchu, głównie dlatego, że nie mogła w pełni wyjaśnić pewnych obserwacji, takich jak kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła i jasność powierzchni galaktyk ewoluujących w czasie. Jednak ostatnie obserwacje i analizy, takie jak te przedstawione w nowym badaniu, mogą skłonić do ponownej oceny hipotezy Zwicky’ego.
Społeczność naukowa prawdopodobnie podejdzie do takich twierdzeń z ostrożnością. Jest mało prawdopodobne, aby społeczność naukowa z łatwością odrzuciła teorię Wielkiego Wybuchu na rzecz alternatywnej hipotezy bez przekonujących i wyczerpujących dowodów. Ponadto, jej krytycy od dawna argumentowali, że teoria „zmęczonego światła” nie wyjaśnia wszystkich obserwowanych dowodów potwierdzających model Wielkiego Wybuchu, takich jak kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła – „poświata” Wielkiego Wybuchu – oraz obfitość lekkich pierwiastków, takich jak wodór i hel. Nowej teorii stawiane są duże wymagania, którym musi sprostać, aby nauka przyjęła ją do głównego nurtu.
Mirosław Usidus
