Cílem nedávné astronomické studie, uvedené níže, bylo určit, která ze dvou hodnot rychlosti rozpínání vesmíru, jež dosud vědci vypočítali, je ta správná. Konečný rozsudek však nepřišel ani na základě nových, přesnějších pozorování z Webbova teleskopu, na nichž se nová studie zakládá.
Od chvíle, kdy se vesmír zrodil před zhruba 13,8 miliardy let, se neustále rozpíná všemi směry. Na základě analýzy současné rychlosti rozpínání – známé jako Hubbleova konstanta – mohou vědci odhadnout stáří vesmíru a možné podrobnosti o jeho osudu, například to, zda se bude rozpínat navždy, zhroutí se sám do sebe, nebo se dokonce roztrhne.
K měření Hubbleovy konstanty vědci používají dvě základní strategie. V rámci jedné sledují blízké objekty, jejichž vlastnosti vědci dobře znají, jako jsou supernovy a pulzující hvězdy zvané proměnné cefeidy, s cílem odhadnout jejich vzdálenost a rychlost, jakou se od nás vzdalují.
V rámci druhé metody zkoumají kosmické mikrovlnné pozadí – zbytkové záření po velkém třesku z okamžiku zrození vesmíru, aby mohli studovat počáteční podmínky panující ve vesmíru a odhadnout, jak rychle se od té doby rozpínal.
V posledním desetiletí tyto dvě metody nečekaně přinesly dva protichůdné výsledky. Pozorování kosmického mikrovlnného pozadí z evropské kosmické observatoře Planck naznačují, že vesmír se rozpíná rychlostí přibližně 67,4 kilometru za sekundu na jeden megaparsek (vzdálenost odpovídající 3,26 milionu světelných let). Naproti tomu údaje z blízkých supernov a cefeidních hvězd naznačují o něco rychlejší tempo – přibližně 73 kilometrů za sekundu na jeden megaparsek.
Vyřešení této hádanky, známé jako Hubbleovo napětí, by mohlo objasnit vývoj a osud vesmíru. Jednou z možností je jednoduše to, že jedna nebo více metod odhadu tohoto kritického čísla je chybná.
„Existovala naděje, že tento rozpor prostě zmizí, že jde možná jen o chybu měření," říká Adam Riess, astrofyzik z Space Telescope Science Institute v Baltimoru, který v roce 2011 získal Nobelovu cenu za fyziku za to, že pomohl objevit, že rozpínání vesmíru se zrychluje.
V nové studii Riess a jeho kolegové vycházeli z ostrého rozlišení Webbova dalekohledu. Analyzovali více než 320 cefeid ve dvou galaxiích – NGC 4258 vzdálené asi 23 milionů světelných let a NGC 5584 vzdálené asi 100 milionů světelných let.
Vědci zjistili, že Webbův teleskop přináší zhruba trojnásobné zlepšení přesnosti ve srovnání s Hubbleovým vesmírným dalekohledem. „Stačilo by mi 20 procent, takže trojnásobek je opravdu vynikající,“ říká Riess.
Nicméně nová pozorování se do značné míry shodovala s předchozími odhady vzdáleností z Hubbleova dalekohledu. „Dřívější výsledky prošly testem JWST (Vesmírného teleskopu Jamese Webba),“ říká John Blakeslee, astronom z National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory v Tucsonu v Arizoně.
„V určitém okamžiku je třeba říci, že se nejedná o chybu měření, a pokud ano, říká to něco velmi zajímavého o vesmíru,“ uvádí Riess. „Je to stále tajemnější záhada, ale zajímavá záhada.“
Neznámé fungování vesmíru
Tato nová zjištění naznačují, že Hubbleovo napětí může být způsobeno něčím důležitějším než nepřesností. Pokud jsou obě hodnoty správné, pak astronomům chybí nějaká informace o tom, jak vesmír rostl.
Údaje z blízkých supernov a cefeid naznačují, že rozpínání se zrychluje vyšším tempem, než se očekávalo na základě podmínek v době, kdy byl vesmír mladý, což se odráží v kosmickém mikrovlnném pozadí. Toto zvýšené zrychlení je dokonce větší, než vědci v současnosti dokážou vysvětlit pomocí temné energie – tajemné síly, která podle teoretiků pohání zrychlující se rozpínání vesmíru.
„Máme jasný rozpor mezi pozorováním a převládajícím modelem vesmíru,“ říká Pierre Kervella, astronom z pařížské observatoře. „Nyní se stává pravděpodobnější, že problém je spíše v modelu vesmíru než v pozorování, které je poměrně solidní.“
Jedním z možných vysvětlení je, že „by mohl být problém v teorii gravitace, kterou používáme – obecné teorii relativity,“ říká Kervella. Hodnota Hubbleovy konstanty odvozená z kosmického mikrovlnného pozadí závisí na modelu založeném na obecné teorii relativity, vysvětluje Kervella.
Další možností je, že v raném vesmíru mohla existovat dosud netušená forma temné energie, poznamenává Riess. Nebo se povaha temné energie mohla v průběhu času měnit, od doby, kdy byl vesmír velmi mladý a kompaktní, až po dobu, kdy zestárl a zvětšil se.
„Existuje spousta nápadů a všechny mají svá pro a proti,“ říká Riess. „V současné době žádná z nich nezapadá jako Popelčina noha do střevíčku.“
Gravitační vlny a světlo ze srážky černých děr ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných let od Země
Nedávno vědci vyvinuli další techniku měření Hubbleovy konstanty, která může pomoci tuto záhadu objasnit. Opírá se o gravitační vlny, vlnění ve struktuře prostoru a času, které vzniká při zrychlování hmoty.
V roce 2017 vědci detekovali gravitační vlny ze srážek neutronových hvězd. Za objev gravitačních vln, který po sto letech potvrdil správnost Einsteinových idejí, dostali autoři Nobelovu cenu. Tyto vlny lze teoreticky využít k přesnému určení vzdálenosti srážek od Země, zatímco světlo, které vzniklo při těchto srážkách, může odhalit rychlost, jakou se pohybují vzhledem k Zemi. Obě tyto sady dat mohou vědci využít k výpočtu Hubbleovy konstanty.
Předběžné výsledky získané touto metodou naznačují, že hodnota Hubblovy konstanty je téměř 70 kilometrů za sekundu na megaparsek – přesně mezi oběma ostatními metodami. Analýza srážek mezi přibližně 50 páry neutronových hvězd v příštích pěti až deseti letech může přinést dostatek dat pro přesvědčivější výsledky.
Mezitím bude JWST měřit vzdálenosti cefeidních hvězd pro další desítky galaxií, poznamenává Blakeslee. To bude představovat ještě silnější test měření v blízkém vesmíru.
Dokud však někdo nenajde chybějící kousek této kosmologické skládačky, zdá se, že hádanka Hubbleova napětí zůstane nerozluštěna.