Widmo kryzysu krąży nad kosmosem – albo nad społecznością kosmologów. Otóż zdaniem niektórych astronomów wszechświat rozszerza się zbyt szybko.

Nowe pomiary odległości i prędkości dalekich galaktyk nie pasują do wypracowanego z trudem modelu kosmologicznego, powszechnie uznawanego od dwóch dekad. Odnotowano 9-procentowe rozbieżności w wartościach tzw. stałej Hubble’a, opisującej tempo rozszerzania się wszechświata. Kosmolodzy wymagają od siebie ogromnej precyzji, toteż wspomniane niewielkie różnice w szacunkach stały się punktem wyjścia do debaty o tym, co tak naprawdę wiemy o kosmosie.

„Jeśli wyniki się potwierdzą, będziemy się uczyć fizyki od nowa” – mówi Wendy Freedman z University of Chicago, która większość kariery poświęciła szacowaniu wymiarów i tempa rozszerzania się wszechświata.

Ojcem chrzestnym stałej Hubble’a jest Edwin Hubble, astronom pracujący w obserwatorium Mount Wilson. To właśnie on odkrył, że wszechświat się rozszerza. Stała Hubble’a od dawna spędza naukowcom sen z powiek. W rozszerzającym się wszechświecie im dalej od ciebie znajduje się dany obiekt, tym szybciej się oddala. Stała Hubble’a powinna wskazywać nam, w jakim tempie się to odbywa.

Wyznaczenie tego parametru wymaga jednak szacowania odległości ciał niebieskich – gwiazd i całych galaktyk, także tych, do których nigdy nie dotrzemy – na podstawie emitowanego przez nie światła. Od czasów Hubble’a wykorzystuje się w tym celu tzw. świece standardowe, czyli właśnie gwiazdy lub galaktyki, których odległość od Ziemi można obliczyć na podstawie tego, jak jasno świecą na naszym niebie.

Kłopot w tym, że w astronomii kalibratory też trzeba kalibrować, co oznaczało i oznacza konieczność przyjmowania coraz to nowych założeń. Drobne błędy czy rozbieżności – np. dotyczące tego, na ile kurz w atmosferze zaburza obserwacje – urastają wówczas do rangi kosmicznych problemów. Zaledwie trzy dekady temu astronomowie nie umieli porozumieć się w sprawie wieku wszechświata – ma 10 czy 20 mld lat? Obecnie wszyscy zgadzają się, że liczy sobie około 13,8 mld lat.

Za pomocą narzędzi nowej generacji, m.in. Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, astronomowie stopniowo ograniczyli rozbieżności co do wartości stałej nazwanej imieniem tego słynnego uczonego.

Ciepło, coraz cieplej

W 2001 r. zespół kierowany przez dr Freedman ogłosił następujące oszacowanie wartości stałej: 72 km/s/MPc (MPc to megaparsek, czyli mniej więcej, 3,3 mln lat świetlnych). Gdyby wziąć za przykład jakąś odległą galaktykę taka wartość stałej oznacza, że owa galaktyka oddala się od nas o 72 km/s szybciej na każde 3,3 mln lat świetlnych, które nas od niej dzielą. (Hubble oceniał pierwotnie, że wartość ta jest znacznie wyższa i wynosi 500 km/s/MPc).

Obliczenia dr Freedman zawierały pewien margines błędu, dzięki czemu były zgodne z innymi, raczej pośrednimi szacunkami, które mówiły o 67 km/s/MPc. Wartość tę wywiedziono z badań mikrofali po Wielkim Wybuchu. Na tej podstawie w ostatnich latach astronomowie stworzyli szczególną teorię, zgodnie z którą wszechświat jawi się nam jako czarny i niecny, niczym brownie z podwójną dawką czekolady. To kosmologiczne brownie składa się w około 5% z materii atomowej, w 27% z tajemniczej ciemnej materii i w 68% z jeszcze bardziej zagadkowej ciemnej energii, za sprawą której wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Nieważne, że nie znamy istoty ciemnej materii i energii. Astronomowie dysponują dobrą teorią na temat ich funkcjonowania, dzięki czemu mogli wiarygodnie opisać rozwój wszechświata od chwili, gdy miał zaledwie jedną trylionową sekundy, aż po dziś dzień.

Teraz jednak wygląda na to, że mamy lepsze szacunki dotyczące stałej Hubble’a, co dla naszej wizji kosmosu oznacza kłopoty.

Latem 2016 r. zespół kierowany przez Adama Riessa z Johns Hopkins University oraz Space Telescope Science Institute wykorzystał dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i ogromnych teleskopów Kecka na Mauna Kea na Hawajach. Na tej podstawie, posługując się eksplodującymi supernowymi jako świecami standardowymi, oszacował wartość stałej na 73 km/s/MPc (z marginesem błędu 2,4% – w obie strony).

Wieść ta odbiła się szerokim echem. Jeżeli wyniki się potwierdzą, wartość parametru okaże się nie do pogodzenia z wartością 67 km/s/MPc, ustaloną w 2013 r. na podstawie danych z europejskiego satelity Planck, które dotyczyły promieniowania pozostałego po Wielkim Wybuchu. Obserwacje zebrane podczas misji, ukazujące wszechświat w momencie, gdy liczył sobie zaledwie 380 tys. lat, uważane były dotąd za prawdziwy wzorzec jakości w kosmologii.

Czy wobec tego zmieni się teraz obraz kosmosu (np. czy zacznie on obejmować nowy rodzaj cząstek subatomowych istniejących od czasu Wielkiego Wybuchu)? To zależy, kogo zapytacie. Zdaniem niektórych jest zbyt wcześnie, by mówić o przełomie w fizyce tylko dlatego, że pojawiła się rozbieżność w wynikach – zresztą w dziedzinie, która od zawsze budziła rozmaite kontrowersje. Trzeba więcej danych i bardziej dogłębnego przemyślenia modeli statystycznych i błędów nieuchronnie w nie wpisanych – może wówczas wyniki da się pogodzić.

„Mamy do czynienia ze szpetnym problemem – ale na razie wszystkie znane mi rozwiązania są jeszcze paskudniejsze” – mówi Lawrence M. Krauss, fizyk teoretyk z Arizona State University.

Inni jednak przekonują, że to być może początek czegoś ważnego. David Spergel, kosmolog z Princeton and the Simons Foundation określił rozbieżności mianem „niezwykle intrygujących”, nie jest jednak przekonany, czy mamy do czynienia z nową fizyką. Michael S. Turner z University of Chicago dodaje: „Jeśli rozbieżności są faktem, niewykluczone, że czeka nas modyfikacja przyjętego modelu kosmologicznego, choć zawdzięczamy mu ogromne sukcesy. Cóż, młode pokolenie naukowców pragnie szansy dokonania wielkich odkryć, pragnie przełomów w naszej dyscyplinie”.

Dr Riess i jego współpracownik Stefano Casertano latem 2016 r. uzyskali podobny wynik: 73 km/s/MPc. Wykorzystali dane z europejskiej sondy kosmicznej Gaia – mierzy ona odległości od przeszło miliarda gwiazd, analizując każdą z nich w dwóch różnych położeniach na tle innego ciała, co niezwykle upraszcza astronomom pracę.

Riess i Casertano szacują, że szanse, iż rozbieżności są jedynie skutkiem statystycznego przypadku wynoszą mniej niż jeden do stu. Przy stoliku pokerowym byłoby to nawet do zaakceptowania, ale nie w fizyce. Tu trzeba szansy wynoszącej mniej niż jeden na milion, by móc mówić o potwierdzonym odkryciu.

„Mamy do czynienia z potencjalnie bardzo poważnym problemem – mówi Alex Filippenko, astronom z University of California i członek zespołu badawczego Riessa. – Diabeł tkwi w szczegółach. Ustaliliśmy więc szczegóły i teraz musimy rozwiązać arcytrudną zagadkę”.

George Efstathiou z University of Cambridge, jeden z szefów misji satelity Planck, odpowiedzialny za analizy kosmologiczne, twierdzi, że dr Riess i jego zespół nie doszacowali błędów w pomiarach.

„Podsumowując, pomiary Plancka nadal są wiarygodne – pisał w e-mailu. – Nie wykluczam, że tamci astronomowie mają rację i że będziemy musieli zmodyfikować model kosmologiczny, ale na moje oko dowody nie są zbyt przekonujące”.

Dr Riess i jego współpracownicy są jednak pewni trafności swoich ustaleń. Sytuacja zrobiła się jeszcze ciekawsza w grudniu, kiedy zespół zwany HoLiCOW (ŚwIENTaKROWA; nie pytajcie, skąd ten skrót) z Instytutu Astrofizyki im. Maxa Plancka w niemieckim Garching ogłosił, że stała Hubble’a wynosi 72 km/s/MPc. Ten wynik także nie jest zgodny z pomiarami europejskiego satelity.

Zespół pracujący pod kierunkiem Sherry Suyu mierzył opóźnienia w rozchodzeniu się promieni z pięciu odległych kwazarów, poruszających się wokół ogromnych galaktyk. Technika ta, mówią naukowcy, opiera się tylko na geometrii, na Einsteinowskiej teorii grawitacji i ogólnej teorii względności. Nie liczą się tu inne założenia na temat pyłów zakłócających obserwacje ani budowy gwiazd.

Także w minionym roku zespół BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) oszacował stałą Hubble’a na 68 km/s/MPc. Obliczenia te opierają się na danych dotyczących 1,5 mln galaktyk i ich skupieniu w czasie i przestrzeni. Do kalibracji wykorzystano jednak dane na temat kosmicznych mikrofal.

Co teraz?

Zostało pole do manewrów – uważa m.in. dr Riess. Wyniki dotyczące tak obecnego momentu, jak i pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu mogą być trafne, bo satelita Planck mierzy stałą Hubble’a pośrednio, jako jeden z parametrów standardowego modelu kosmologicznego. Inne parametry da się zmodyfikować.

I tu właśnie wchodzi nowa fizyka.

Najbardziej prawdopodobnymi kandydatami do zapełnienia luk są, zdaniem Riessa, neutrina. Wiadomo już, że w kosmosie jest ich mnóstwo. Występują w trzech postaciach, jedna postać może jednak przechodzić w drugą podczas przemieszczania się w przestrzeni. Zdaniem niektórych fizyków istnieje też czwarty rodzaj, sterylne neutrina, które nie wchodzą w interakcje z żadnymi innymi cząstkami.

Odkrycie neutrin może stanowić wstęp do przełomu w fizyce cząstek elementarnych i, by tak rzec, rzucić nowe światło na ciemną materię, która stanowi grawitacyjne rusztowanie dla galaktyk.

Jest też inna możliwość. Najpowszechniejszy rodzaj ciemnej energii – zwany stałą kosmologiczną, wymyślony przez Einsteina 100 lat temu i odrzucony jako błąd – może zostać zastąpiony w modelu kosmologicznym przez potężniejszą, ale i bardziej kontrowersyjną energię fantomową. Zdaniem niektórych naukowców za jej sprawą wszechświat zacznie się w końcu rozszerzać tak szybko, że w końcu atomy ulegną rozerwaniu i za miliardy lat nastąpi tzw. Wielkie Rozdarcie.

„Mamy do czynienia z bardzo interesującymi kontrowersjami – mówi dr Riess. – Właśnie dlatego się w to bawimy. Szukamy tego, co nie pasuje”.

I dodaje: „Teraz gra toczy się o ciemną materię i ciemną energię lub o same podstawy fizyki”.

Żyjemy w epoce „precyzyjnej kosmologii”. Wszyscy są zgodni, że na ostateczne konkluzje jeszcze za wcześnie. Czeka nas zalew danych z Gai i z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który jeszcze nawet nie został wyniesiony na orbitę. Dr Freedman spodziewa się, że za kilka lat stała Hubble’a doczeka się oszacowania z jednoprocentową dokładnością.

„I właśnie dlatego to takie interesujące – mówimy o zupełnie realnej możliwości. Trwają prace dzięki którym niedługo osiągniemy ten cel. Właśnie dlatego mam ochotę znów zajmować się tym tematem” – mówi dr Freedman. I przypomina koniec lat 90., kiedy rozbieżności w pomiarach odległości dalekich wybuchów supernowych doprowadziły do odkrycia, że rozszerzanie się wszechświata przyspiesza pod wpływem ciemnej energii. Dr Riess dostał Nagrodę Nobla za wkład w te badania. Ciemna energia weszła do kosmologicznego mainstreamu.

„Nie można mówić o déjà vu – napisał Riess w e-mailu. – Ale to zabawne, że ilekroć moi koledzy i ja bierzemy nasze zabawki i zaczynamy się przyglądać wszechświatowi, okazuje się, że rozszerza się on szybciej, niż ktokolwiek przypuszczał”.