Hubbleova napetost

Koliko se brzo širi svemir? Kad se to izmjeri iz najstarije svjetlosti u svemiru, dobije se jedan broj, a kad se izmjeri iz bliskih galaksija, drugi. Razlika je mala, ali je ne uspijeva ukloniti ni najbolji teleskop koji imamo.

Ukratko

Hubbleova konstanta kaže koliko se brzo galaksije udaljuju od nas na određenoj udaljenosti; mjeri se u kilometrima u sekundi po megaparseku.
Mjerenje iz kozmičkog pozadinskog zračenja, uz standardni model svemira, daje oko 67, a mjerenje iz zvijezda cefeida i supernova u bliskim galaksijama oko 73.
Razlika je veća od mjernih nesigurnosti, a nisu je uklonila ni nova mjerenja svemirskim teleskopom James Webb.
Neki astronomi traže skrivenu pogrešku u mjerenju udaljenosti, a drugi smatraju da je riječ o znaku nove fizike u ranom svemiru.

Godine 1929. američki astronom Edwin Hubble objavio je da se udaljene galaksije udaljuju od nas to brže što su dalje. Belgijski svećenik i fizičar Georges Lemaître došao je do slične veze dvije godine ranije, polazeći od Einsteinove teorije gravitacije. Iz te veze proizlazi jedan broj: brzina udaljavanja podijeljena s udaljenošću. Taj se broj danas zove Hubbleova konstanta, a iz njega se računa i starost svemira.

Broj koji se nije dao izmjeriti

Hubble je dobio oko 500 kilometara u sekundi po megaparseku, gdje je megaparsek oko 3,26 milijuna svjetlosnih godina. Vrijednost je bila previsoka jer su njegove udaljenosti bile pogrešne, a iz nje bi proizlazilo da je svemir mlađi od Zemlje. Tijekom 20. stoljeća astronomi su je postupno smanjivali, ali su se desetljećima prepirali oko toga je li bliža 50 ili 100. Brzinu je lako izmjeriti iz crvenog pomaka svjetlosti galaksije. Teško je izmjeriti udaljenost.

Za udaljenosti se koriste stube. Najbliže zvijezde mjere se geometrijski, iz prividnog pomaka dok Zemlja obilazi Sunce. Tim se mjerenjima umjeravaju cefeide, pulsirajuće zvijezde kod kojih ritam pulsiranja otkriva pravi sjaj. Cefeidama se zatim umjeravaju supernove tipa Ia, eksplozije koje se vide preko milijardi svjetlosnih godina. Svaka stuba nosi svoju nesigurnost.

Svemirski teleskop Hubble lansiran je 1990., a jedan od glavnih zadataka bio mu je upravo ovaj broj. Projekt koji je vodila Wendy Freedman objavio je 2001. vrijednost od oko 72, s nesigurnošću od desetak posto. Spor između 50 i 100 bio je završen.

Dva puta, dva odgovora

Postoji i posve drugi put. Kozmičko pozadinsko zračenje nastalo je oko 380 000 godina nakon Velikog praska, a u njemu su zapisane sitne razlike u temperaturi. Iz njihova rasporeda, uz pretpostavku da vrijedi standardni model svemira s tamnom tvari i tamnom energijom, može se izračunati koliko bi se brzo svemir trebao širiti danas. Europski satelit Planck objavio je 2013. prve rezultate, a 2018. konačne: oko 67,4, s nesigurnošću manjom od jedan posto.

Istodobno je tim SH0ES, koji vodi Adam Riess, usavršavao stube udaljenosti. Godine 2022. objavio je vrijednost od 73,0, s nesigurnošću od oko jedan kilometar u sekundi po megaparseku, na temelju cefeida u galaksijama u kojima su eksplodirale 42 supernove. Razlika između 67 i 73 sada je bila oko pet puta veća od zajedničke nesigurnosti. U fizici se tolika razlika obično smatra ozbiljnom.

Mjerenje, hipoteza i spekulacija

Izmjereno je da dvije vrste mjerenja daju različite brojeve. Mjerenja ranog svemira, iz pozadinskog zračenja i iz rasporeda galaksija, slažu se oko 67 do 68. Mjerenja bliskog svemira s cefeidama daju oko 73. Druge metode bliskog svemira daju vrijednosti između.

Hipoteza je da negdje postoji neprepoznata pogreška. Cefeide u udaljenim galaksijama nalaze se u gustim skupovima zvijezda, pa im se svjetlo može pomiješati sa svjetlom susjeda. Prašina može prigušiti svjetlost. Teleskop James Webb, koji vidi oštrije u infracrvenom svjetlu, trebao je to razriješiti. Riess i suradnici 2024. objavili su da Webbove snimke potvrđuju mjerenja cefeida. Freedman i suradnici, koji koriste i druge vrste zvijezda, crvene divove na vrhu svoje razvojne grane, 2025. dobili su oko 70, vrijednost koja se, prema njihovu zaključku, slaže sa standardnim modelom bez nove fizike. Spor između dviju skupina traje.

Druga je hipoteza da standardni model nije potpun. Ako je u ranom svemiru postojao dodatni oblik energije koji je poslije nestao, "rana tamna energija", širenje bi se odvijalo malo drukčije i dva bi se broja mogla pomiriti. Predloženo je i da živimo u području svemira rjeđem od prosjeka, pa se bliske galaksije udaljuju malo brže.

Spekulacija je da napetost otkriva nove čestice, promjenjive prirodne konstante ili nešto još temeljnije. Za takve ideje zasad nema neovisnih mjerenja.

Treći sudac

Astronomi zato traže metode koje ne ovise ni o cefeidama ni o pozadinskom zračenju. Godine 2017. detektori gravitacijskih valova LIGO i Virgo zabilježili su sudar dviju neutronskih zvijezda, a teleskopi su pronašli njegovu galaksiju. Udaljenost se tada mogla odrediti iz samih gravitacijskih valova. Rezultat je bio oko 70, ali s nesigurnošću prevelikom da presudi. Kad takvih sudara bude više, ta bi metoda mogla dati neovisan odgovor.

Kronologija

1927.: Georges Lemaître objavljuje vezu između udaljenosti i brzine udaljavanja galaksija.
1929.: Edwin Hubble objavljuje mjerenja koja pokazuju da se galaksije udaljuju.
1990.: Lansiran je svemirski teleskop Hubble.
2001.: Projekt Wendy Freedman objavlja vrijednost od oko 72.
2013.: Satelit Planck objavlja prve rezultate s nižom vrijednošću.
2017.: Sudar neutronskih zvijezda daje prvo mjerenje Hubbleove konstante gravitacijskim valovima.
2018.: Konačni rezultati satelita Planck daju oko 67,4.
2022.: Tim SH0ES objavlja vrijednost od 73,0 s nesigurnošću od oko jedan kilometar u sekundi po megaparseku.
2024.: Riess i suradnici objavljuju da snimke teleskopa James Webb potvrđuju mjerenja cefeida.
2025.: Freedman i suradnici iz mjerenja crvenih divova dobivaju oko 70.

Ključne osobe

Edwin Hubble: Američki astronom koji je 1929. pokazao da se galaksije udaljuju to brže što su dalje.
Georges Lemaître: Belgijski svećenik i fizičar koji je 1927. predvidio i procijenio širenje svemira.
Adam Riess: Američki astrofizičar, voditelj tima SH0ES koji mjeri Hubbleovu konstantu u bliskom svemiru.
Wendy Freedman: Kanadsko-američka astronomkinja, voditeljica mjerenja teleskopom Hubble i programa CCHP.

Što se zna

Hubble je 1929. pokazao da se galaksije udaljuju brzinom razmjernom udaljenosti.
Satelit Planck, uz standardni kozmološki model, daje Hubbleovu konstantu od oko 67,4 kilometra u sekundi po megaparseku.
Tim SH0ES 2022. objavio je vrijednost od 73,0 uz nesigurnost od oko jedan kilometar u sekundi po megaparseku.
Mjerenje iz sudara neutronskih zvijezda 2017. dalo je oko 70, s velikom nesigurnošću.
Freedman i suradnici 2025. iz mjerenja crvenih divova dobili su oko 70,4.

Otvorena pitanja

Postoji li u mjerenju udaljenosti pogreška koju još nitko nije prepoznao?
Treba li standardni model svemira dopuniti nečim novim u ranom svemiru?
Hoće li gravitacijski valovi dati dovoljno točno neovisno mjerenje?

Teorije

Riječ je o neprepoznatoj pogrešci u mjerenju udaljenosti, a prava vrijednost bliža je 67 do 70
Standardni model svemira nije potpun, a napetost je znak nove fizike, na primjer u ranom svemiru
Živimo u rjeđem dijelu svemira, pa bliske galaksije bježe brže od prosjeka