Im więcej odpowiedzi, tym więcej pytań
O anomaliach związanych z pomiarami szybkości rozprzestrzeniania się Wszechświata w czasie, nazywanej stałą Hubble'a, pisaliśmy w "MT" już rok temu. Pomiary wartości owej "stałej" niewiele miały ostatnio wspólnego ze stałością. Rozbieżności w wynikach nie zostały wyjaśnione, a pojawiły się już kolejne dane, wprowadzając coraz większą konfuzję. Coraz częściej pada sformułowanie "kryzys astrofizyki", czyli ogólnie także fizyki jako całości.
Każdy mierzy swoją miarą i każdemu wychodzi co innego
Pierwszy pomiar stałej Hubble’a związany z obecnie dyskutowaną kontrowersją oparty jest na drabinie kosmicznych odległości. Astronomowie użyli do pomiarów teleskopu Hubble’a i nowszego obserwatorium kosmicznego Gaia, opierając się na Cefeidach, gwiazdach zmiennych pulsujących (1). Jest to klasa gwiazd, które zmieniają swoją jasność w sposób przewidywalny, pozwalając astronomom wywnioskować odległość od Ziemi. Cefeidy były używane już wcześniej do oszacowania stałej Hubble'a, ale w ubiegłym roku zespół wejrzał do dziesięciu razy głębiej w kosmos, na odległości pomiędzy 6 a 12 tys. lat świetlnych. Co pół roku przez cztery lata Hubble mierzył pozycje wybranych Cefeid z szybkością 1 tys. razy na minutę, redukując tym samym błędy pomiarowe. W ten sposób zespół określił nową wartość stałej Hubble'a - 73,4 km/s. na megaparsek (megaparsek jest równy 3,3 miliona lat świetlnych).
Wartość ta nie jest jednak zgodna z pomiarami dokonywanymi przez satelitę Europejskiej Agencji Kosmicznej Planck. Spoglądając wstecz na bardzo wczesny Wszechświat i badając kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) - pozostałość "blasku" Wielkiego Wybuchu (grafika okładkowa), Planck oszacował stałą Hubble’a w przedziale 67 do 69 km/s/Mpc, po czym sprecyzowano, że stała Hubble'a musi wynosić 67,4 km/s/Mpc.
Oba te pomiary uznawane są za prawidłowe i dokładne. Mamy więc problem, który nie tylko nie został w ciągu ostatnich miesięcy rozwiązany, ale wraz z kolejnymi analizami zdaje się coraz bardziej zagrażać nie tyle znanym modelom rozszerzania się Wszechświata, ile w ogóle znanej fizyce. Istnieją trzy główne hipotezy, które mogą wyjaśniać różnice w pomiarach. Wszystkie zagłębiają się jednak w sferę fizyki niezbadanej.
Pierwsza to przypuszczenie, iż ciemna energia może odsuwać galaktyki od siebie silniej niż oczekiwano i w dodatku z rosnącą siłą.
Po drugie, niektórzy sądzą, że ciemna materia może oddziaływać z normalną materią silniej niż przewidywano.
W końcu spekuluje się, iż odpowiadać za to mogą wcześniej niezidentyfikowane cząstki subatomowe ("ciemne promieniowanie").
Każdy z tych scenariuszy zmienia nasze modele Wszechświata i prowadzi do niespójności w teoriach.
- Oczywiście pojawiają się pytania, czy rozbieżności wynikają z jakiegoś zjawiska występującego w badanych gwiazdach, którego astronomowie jeszcze nie rozumieją, czy też nasz kosmologiczny model Wszechświata pozostaje wciąż niekompletny - stwierdziła w lipcu br. astronom z Chicago Wendy Freedman (3) w komunikacie prasowym NASA. - A może i jedno i drugie wymaga po prostu dalszych badań.
Freedman jest odpowiedzialna za najnowszy pomiar stałej Hubble'a, którego dokonano, używając innego rodzaju kosmicznego punktu orientacyjnego niż w poprzednich eksperymentach. Jej zespół zmierzył jasność czerwonych olbrzymów w odległych galaktykach. Ponieważ gwiazdy te osiągają jednakową wielkość i jasność, ich odległość od Ziemi może być łatwiej obliczona niż w przypadku innych gwiazd. Praca Freedman, która ukazała się w "The Astrophysical Journal", wykazuje, że Wszechświat rozszerza się z prędkością 69,8 km/s/Mpc. Czyli wolniej niż wynika z metody drabiny odległości, ale szybciej niż wykazuje Planck.
To nie koniec. Zaledwie kilka dni przed spotkaniem w Kalifornii, zespół badawczy znany pod skrótem H0LiCOW opublikował na serwerze arXiv.org dwie prace opisujące techniki pomiaru stałej Hubble'a oparte na grawitacyjnym soczewkowaniu kwazarów, jasnych źródeł światła zasilanych supermasywnymi czarnymi dziurami w centrach galaktyk. Ich badania sugerują, że stała Hubble'a wynosi 73,3 km/s/Mpc. Co istotne, naukowcy ci przeprowadzali pomiary "na ślepo", czyli wzajemnie ukrywali przez sobą wyniki analiz aż do momentu ujawnienia, aby nie było błędów poznawczych.
W tym samym mniej więcej czasie astronom Mark Reid z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics upublicznił wyniki pomiarów stałej Hubble'a opartych na masywnych chmurach gazu wirujących wokół czarnych dziur, które to chmury emitują światło o określonej długości fali, podobne do światła lasera. Jego oszacowanie podaje wartość ok. 74 km/s/Mpc.
Na wspomnianym na początku spotkaniu w Instytucie Kavli zaprezentowano zaś również pomiary oparte na zmienności jasności galaktyki (76,5 km/s/Mpc) oraz inną odmianę techniki opartej na supernowych, w której wykorzystano gwiazdy określane jako "typ Mira", zamiast Cefeidów lub czerwonych gigantów (73,6 km/s/Mpc).
Mogliśmy coś przeoczyć?
- Stała Hubble'a jest obecnie największym problemem w kosmologii i mamy nadzieję, że to pęknięcie w naszej wiedzy doprowadzi nas do jeszcze większych pęknięć w tym, jak rozumiemy obecnie ciemną energię i ciemną materię - powiedział magazynowi "NewScientist" astronom Uniwersytetu Duke, Daniel Scolnic.
Jeśli impasu nie da się wytłumaczyć eksperymentalnym błędem, to oznaczałoby, zdaniem fizyków, że we wczesnym Wszechświecie zaszło coś bardzo ważnego, o czym nie wiemy. Spekuluje się na temat nowych typów cząstek elementarnych lub innego rodzaju ciemnej energii, ale to tylko przypuszczenia. Wielu uczonych zwraca przy okazji uwagę, że szacunki tempa ekspansji oparte na fizyce wczesnego Wszechświata mają zwykle niższe wartości niż te oparte na późnym Wszechświecie. Może to być wskazówką prowadzącą do wyjaśnień, ale wszystko trzeba jeszcze podeprzeć danymi obserwacyjnymi, a nie jedynie teoretycznymi rozważaniami.
Jeśli zespół Plancka myli się co do tempa ekspansji Wszechświata, a zespół drabiny odległości ma rację, to Wszechświat miałby zbyt mało materii i zbyt wysoki indeks widmowy (ok. 0,995), aby był zgodny z obserwacjami. Ta na pozór niewielka różnica - od 0,96 do 1,00 - jest jednak zdecydowanie nie do pogodzenia z danymi.
A więc kryzys?
Obecnie najdokładniejszym opisem ewolucji i struktury Wszechświata jest standardowy model Lambda-CDM (ΛCDM). Zgodnie z nim, Wszechświat ma niezerową stałą kosmologiczną (parametr lambda), powodującą przyspieszoną ekspansję. Ponadto model ΛCDM wyjaśnia obserwowaną strukturę promieniowania reliktowego (kosmiczne tło mikrofalowe), rozmieszczenie galaktyk we Wszechświecie, obfitość atomów wodoru i innych lekkich atomów, a także szybkość samej ekspansji próżni. Jednak poważna różnica w tempie ekspansji może wskazywać na potrzebę radykalnej zmiany tego modelu.
Z drugiej strony, jak przyznaje wielu fizyków, owe niezgodności nie muszą być ostatecznie niczym złym. W fizyce cząstek z luk i niespójności czerpie się nadzieję na przełamanie Modelu Standardowego. "Niestałość" stałej Hubble’a również ma w sobie taki potencjał. W końcu kosmologia to nie religia i nauka nie powinna mieć oporów, aby w razie potrzeby ją zmienić. W każdym razie naukowcy na ostatnim spotkaniu głosowali przeciwko nazwaniu sytuacji kryzysem, sugerując, że niewielu badaczy w tej dziedzinie jest gotowych odrzucić główne teorie leżące u podstaw zrozumienia, jak działa Wszechświat - przynajmniej nie teraz.
Wielki Wybuch ci się nie podoba? Zaproponuj coś lepszego
Rozwiązanie wyżej opisanego kryzysu - czy będzie to zidentyfikowanie błędów, które popełniają mierniczy kosmosu, czy zmiana a wręcz rewolucja w teoriach fizycznych - wpłynie na mało zbadane jak do tej pory pojęcia, wprowadzane do nauki sukcesywnie od ok. stu lat. Mowa o ciemnej materii, ciemnej energii i inflacji, każdej na swój sposób związanej z paradygmatem Wielkiego Wybuchu.
Warto przypomnieć, że zadaniem wymienionych pojęć nie jest opisywanie znanych zjawisk empirycznych, ale raczej utrzymanie matematycznej spójności teorii, przy jednoczesnym uwzględnieniu rozbieżnych obserwacji. Zasadniczo są to więc nazwy dla czegoś, co musi istnieć, jeśli ma obowiązywać przyjęta i uznana teoria.
Historycznie rzecz biorąc, prawa fizyczne opracowane przez Isaaca Newtona stanowiły teoretyczne ramy, które działały dla naszego małego świata i dla Układu Słonecznego z niezwykłą precyzją. Jednak w miarę jak skale stawały się coraz większe, prawa Newtona przestawały w nich obowiązywać. Powstały nowe ramy teoretyczne - teoria względności Einsteina, opisujące Wszechświat w większych ujęciach.
Odkrycie zjawiska rozszerzania się Wszechświata przez Edwina Hubble'a w 1929 r. a potem odkrycie mikrofalowego promieniowania tła w 1964 r., wyliczenie promienia Wszechświata na 46 mld lat świetlnych, prowadziło do powstania i coraz silniejszego uzasadniania hipotezy Wielkiego Wybuchu. Jednak po głębszym zastanowieniu się każdy przyzna, że wszelkie dowody na wielkie początkowe boom mają jedynie pośredni charakter.
Sama hipoteza Wielkiego Wybuchu pojawiła się pierwotnie jako jedna z konsekwencji teorii ogólnej względności. Einstein wysunął fundamentalne założenie co do Wszechświata - że jest on statyczny zarówno w czasie, jak i w przestrzeni - i aby jego równania się sumowały, dodał "stałą kosmologiczną"; arbitralnie, jak sam przyznawał. Gdy Hubble zauważył, że Wszechświat rozszerza się i teoria Einsteina przestała wystarczać do wyjaśnienia tego zjawiska, powstały koncepcje początkowej osobliwości, w której załamuje się znana nam fizyka. Na teorię tę duży wpływ miały badania nad atomami i ich strukturą. W początkowym punkcie Wszechświata upatrywano czegoś w rodzaju pierwotnego atomu.
Podkreśla się jednak, że teoria Wielkiego Wybuchu trzyma się mocno nie dlatego, że została wystarczająco udowodniona, lecz dlatego, że żadna alternatywna hipoteza nie potrafi wyjaśnić tak dobrze znanego nam Wszechświata, jak Big Bang. Rozliczne nowe propozycje zazwyczaj nie są w stanie przedstawić innych wytłumaczeń np. temperatury kosmicznego promieniowania tła CMB, czy powstawania cięższych pierwiastków w kosmosie. Uczeni nie tyle uważają więc Wielki Wybuch za dogmat, ile pytają każdego proponującego coś nowego i innego, czy jego idea potrafi lepiej wytłumaczyć Wszechświat. Na razie wszyscy na tym pytaniu polegają. Być może opisywany wyżej kryzys związany ze stałą Hubble’a jest tropem, który doprowadzi do nowego modelu powstania Wszechświata (4) - zwłaszcza że pojawiają się teorie, iż ciemna materia istniała jeszcze przed Wielkim Wybuchem (dowodzi tego m.in. Tommi Tenkanen z Uniwersytetu Johns Hopkins).
Skoro powstała jedna konstrukcja hipotetyczna, dlaczego nauka nie może sobie pozwolić na kolejne? Aby np. wyjaśnić obserwacje ruchu galaktyk niespójne z ogólną teorią względności dodano do rachunku masy/energii ciemną materię. W 1998 r., gdy pomiary przyspieszenia galaktyk wydawały się sprzeczne z ramami teorii, pojawiła się nowa teoria mówiąca o tajemniczej sile zwanej ciemną energią - by wypełnić w rachunku brakujące ok. 70% energii/masy Wszechświata.
Jeśli chcemy utrzymać jednolitość matematyczną teorii Wszechświata, obecny paradygmat kosmologii wymaga od nas akceptacji faktu, że 95% wszystkiego stanowią zupełnie nieznane elementy i siły, na, których istnienie nie mamy jak dotąd żadnych bezpośrednich dowodów empirycznych. Zgromadziliśmy jedynie dowody pośrednie, zupełnie jak ma to miejsce z Wielkim Wybuchem. Zachodzi więc pytanie, czy fizycy, którzy być może gdzieś po drodze popełnili błąd, lub coś przeoczyli, nie budowali kolejnych teorii, dopasowując nieco sztucznie i na siłę nowe fakty do wcześniejszych modeli, niekoniecznie mających mocne podstawy?
Jeden z typowych błędów poznawczych nazywa się "efektem potwierdzania". I to jest być może problem współczesnej fizyki.
Mirosław Usidus
