Řešení jedné z velkých záhad kosmologie

Studie, kterou provedly univerzity v Bonnu a St Andrews, naznačuje možné nové vysvětlení jitteru Hubblea.

Vesmír se rozpíná. Jak rychle to je, popisuje to, co se nazývá Hubble-Lameterova konstanta. Existuje však neshoda ohledně skutečné velikosti této konstanty: různé metody měření poskytují protichůdné hodnoty. Toto takzvané „Hubbleovo napětí“ představuje pro kosmology záhadu. Vědci z univerzit v Bonnu a St Andrews nyní navrhují nové řešení: pomocí alternativní teorie gravitace lze nesrovnalosti v naměřených hodnotách snadno vysvětlit – chvění Hubblea zmizí. Studie byla nyní zveřejněna v Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti (MNRAS).

Pochopení rozpínání vesmíru

Expanze vesmíru způsobuje, že se galaxie od sebe vzdalují. Rychlost, kterou to dělají, je úměrná vzdálenosti mezi nimi. Pokud je například Galaxie A od Země dvakrát tak daleko než Galaxie B, pak se její vzdálenost od nás také zvyšuje dvakrát rychleji. Americký astronom Edwin Hubble byl jedním z prvních, kdo toto spojení rozpoznal.

Aby bylo možné vypočítat, jak rychle se dvě galaxie od sebe vzdalují, je nutné vědět, jak daleko od sebe jsou. To však také vyžaduje konstantu, kterou je nutné tuto vzdálenost násobit. Jedná se o takzvanou Hubble-Lameterovu konstantu, která je základním parametrem v kosmologii. Jeho hodnotu lze určit například pohledem na velmi vzdálené oblasti vesmíru. To dává rychlost asi 244 000 kilometrů za hodinu za hodinu megaparsek Vzdálenost (jeden megaparsek je něco málo přes tři miliony světelných let).

(Modrá; žluté tečky představují jednotlivé galaxie.) Mléčná dráha (zelená) se nachází v oblasti s malou hmotou. Galaxie v bublině se pohybují směrem k vyšším hustotám hmoty (červené šipky). Zdá se tedy, že vesmír se uvnitř bubliny rozpíná rychleji. Zdroj obrázků: A.G. Krupa/University of Bonn

Nekonzistence v měření

„Můžete se ale také podívat na nebeské objekty, které jsou nám mnohem blíže – takzvané supernovy třídy 1A, což jsou zvláštní typy explodujících hvězd,“ vysvětluje profesor Dr. Pavel Krupa z Helmholtzova institutu pro radiaci a jadernou fyziku v Helmholtzu. Univerzita. Univerzita v Bonnu. Je možné velmi přesně určit vzdálenost Supernovy 1a k Zemi. Víme také, že světlé předměty mění barvu, když se od nás vzdalují, a čím rychleji se pohybují, tím je změna silnější. Je to podobné jako u sanitky, jejíž sirény zní hlouběji, když se od nás vzdalují.

Pokud nyní vypočítáme rychlost supernovy 1a z jejich barevného posunu a vztáhneme to k jejich vzdálenosti, dojdeme k jiné hodnotě Hubble-Lameterovy konstanty – necelých 264 000 kilometrů za hodinu na milion parseků vzdálenosti. „Zdá se, že vesmír se rozpíná rychleji v našem bezprostředním okolí – ve vzdálenosti asi tří miliard světelných let – než ve svém celku,“ říká Krupa. „A to by opravdu nemělo být.“

Nedávno se však objevilo pozorování, které by to mohlo vysvětlit. Podle toho se Země nachází v oblasti vesmíru, kde je relativně málo hmoty, která je jako vzduchová bublina v koláči. Hustota hmoty je kolem bubliny vyšší. Z tohoto okolního materiálu vycházejí gravitační síly, které tahají galaxie v bublině směrem k okrajům dutiny. „Proto se od nás vzdalují rychleji, než se ve skutečnosti očekávalo,“ vysvětluje Dr. Indranil Banik z University of St Andrews. Aberace lze tedy jednoduše vysvětlit lokálním „poklesem hustoty“.

Ve skutečnosti jiná výzkumná skupina nedávno měřila průměrnou rychlost velkého počtu galaxií ve vzdálenosti 600 milionů světelných let. „Zjistilo se, že tyto galaxie se od nás vzdalují čtyřikrát rychleji, než umožňuje standardní model kosmologie,“ vysvětluje Sergey Mazurenko z Krupyovy výzkumné skupiny, který se na současné studii podílel.

Bublina v těstě vesmíru

Je to proto, že standardní model neposkytuje tak nízké hustoty nebo „bubliny“ – ve skutečnosti by tam být neměly. Místo toho by měl být materiál rovnoměrně rozložen v prostoru. Pokud by tomu tak bylo, bylo by obtížné vysvětlit síly, které tlačí galaxie k jejich vysoké rychlosti.

„Standardní model je založen na teorii o povaze gravitace Alberta Einsteina,“ říká Krupa. „Gravitační síly se však mohou chovat jinak, než Einstein předpovídal.“ Pracovní skupiny z univerzit v Bonnu a St Andrews použily v počítačové simulaci upravenou teorii gravitace. Tuto „Modified Newtonian Dynamics“ (zkratka: MOND) navrhl před čtyřmi desetiletími izraelský fyzik profesor Dr. Mordehai Milgrom. Dodnes je považována za externí teorii. „V našich výpočtech MOND přesně předpovídá existenci takových bublin,“ říká Krupa.

Pokud by se předpokládalo, že se gravitace skutečně chová podle Milgromových předpokladů, Hubbleovo napětí by zmizelo: ve skutečnosti by existovala pouze jedna konstanta pro rozpínání vesmíru a pozorované odchylky by byly způsobeny nepravidelným rozložením hmoty.

Odkaz: „Simultánní rozlišení Hubbleova tenzoru a pozorovaný objemový tok během 250 hodin −1 megaparsek“ od Sergeje Mazurenka, Indranila Banika, Pavla Krupy a Moritze Hasselbauera, 2. listopadu 2023, Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
doi: 10.1093/manras/stad3357

Kromě University of Bonn se studie zúčastnily také University of St. Andrews (Skotsko) a Univerzita Karlova v Praze (Česká republika). Práce byla financována Radou vědeckých a technologických zařízení Spojeného království.