Od dziesięcioleci fizycy zmagają się z podstawową sprzecznością: dwie różne metody pomiaru tempa rozszerzania się Wszechświata dają niespójne wyniki – rozbieżność znaną jako „napięcie Hubble’a”. Teraz zespół badaczy proponuje nowe rozwiązanie: wykorzystanie fal grawitacyjnych, zmarszczek w czasoprzestrzeni, do niezależnego określenia tempa ekspansji, potencjalnie rozwiązując tę długoletnią zagadkę.
Napięcie Hubble’a: podstawowy problem w kosmologii
Od 1998 roku obserwacje potwierdzają, że Wszechświat nie tylko się rozszerza, ale i przyspiesza. Przyspieszenie to przypisuje się „ciemnej energii”, chociaż jego prawdziwa natura pozostaje nieznana. Głównym problemem jest niespójność stałej Hubble’a, wartości krytycznej określającej tempo ekspansji. Pomiar tej stałej z pobliskich supernowych daje jeden wynik, natomiast obliczenia oparte na wczesnym Wszechświecie – przy użyciu standardowego modelu kosmologicznego – dają inny. Konflikt ten wymaga trzeciego, niezależnego pomiaru w celu potwierdzenia, która wartość jest prawidłowa.
Fale grawitacyjne jako nowe narzędzie pomiarowe
Zaproponowane rozwiązanie wykorzystuje fale grawitacyjne przewidziane przez teorię względności Einsteina. Fale te powstają w wyniku przyspieszania masywnych obiektów, takich jak łączenie się czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Fale te, odkryte po raz pierwszy w 2015 roku przez Obserwatorium Fal Grawitacyjnych z Interferometrem Laserowym (LIGO), zapewniają obecnie wyjątkową okazję do badania ekspansji Wszechświata.
Klucz leży w technice zwanej metodą syreny stochastycznej : zamiast skupiać się na pojedynczych połączeniach, analizuje ona słabe, ciągłe „buczenie” fal grawitacyjnych z niezliczonych odległych zderzeń – tło fali grawitacyjnej. Intensywność tego tła jest bezpośrednio powiązana ze stałą Hubble’a: wolniejsza ekspansja oznacza więcej miejsca na kolizje, osłabiając sygnał tła. I odwrotnie, szybsza ekspansja kompresuje przestrzeń, wzmacniając tło.
Dlaczego to ma znaczenie: niezależna weryfikacja i potencjał na przyszłość
Podejście to ma zdecydowaną zaletę: jest niezależne od metod, które są obecnie kontrowersyjne. Łącząc dane dotyczące fal grawitacyjnych z tradycyjnymi obserwacjami elektromagnetycznymi – techniką zwaną astronomią wielokanałową – naukowcy mogą porównać wyniki i określić, czy napięcie Hubble’a stanowi rzeczywistą rozbieżność, czy też błąd systematyczny w istniejących pomiarach.
„Powinno to utorować drogę przyszłym zastosowaniom tej metody, w miarę jak będziemy stale zwiększać czułość, lepiej ograniczać tło fal grawitacyjnych, a być może nawet je wykrywać” – mówi badacz Alex Cousins.
Chociaż obecne detektory nie potwierdziły jeszcze sygnału tła, wstępne analizy oparte na istniejących danych LIGO-Virgo-KAGRA wskazują na wyższą szybkość ekspansji, zgodną z pomiarami supernowych. Wraz ze wzrostem czułości detektorów fal grawitacyjnych w ciągu najbliższych sześciu lat, metoda ta może udoskonalić pomiary stałej Hubble’a i przybliżyć nas do rozwiązania naprężenia Hubble’a. Opracowanie tego nowego instrumentu stanowi znaczący postęp w kosmologii, oferując wyjątkową ścieżkę do zrozumienia fundamentalnej natury naszego rozszerzającego się Wszechświata.
