Kap koja je prelila čašu neslaganja oko Hubbleove konstante

— Objavljeno 01/05/2019 / Bug.hr.

Dvije glavne metode mjerenja Hubbleove konstante ni dosad nisu davale isti rezultat; moglo je to biti zbog nedovoljne preciznosti; najnovija mjerenja poboljšala su preciznost pa je problem postao očit

Širenje svemira jedno je od najvećih znanstvenih otkrića svih vremena. Radi se o činjenici da udaljenost dalekih dijelova svemira s vremenom raste. Konkretno, od opažača na Zemlji sve daleke galaksije bježe. Ali, ne zato što je Zemlja u središtu svemira (usput, središte svemira ne postoji). Ista tvrdnja, o udaljavanju dalekih galaksija, vrijedi za svaku točku u svemiru. Gdjegod se potencijalni opažač nalazio, sve se daleke galaksije od njega udaljavaju. U ovom kontekstu daleko znači više od nekoliko desetaka milijuna svjetlosnih godina. Na manjim udaljenostima gravitacija dominira pa nema širenja. Primjerice, nama najbliža galaksija – Andromeda, udaljena od Mliječnog puta samo 2,5 milijuna svjetlosnih godina – ne juri od nas nego prema nama.

Druga galaksija iz Mjesne skupine – Lav A, od Mliječnog puta udaljena 2,6 milijuna svjetlosnih godina – juri doduše od nas, ali ne zbog širenja svemira. Galaksije unutar Mjesne skupine gibaju se poput mušica u jednom roju, neke se međusobno udaljavaju, neke približavaju, ali se roj drži na okupu. Mjesnu skupinu galaksija na okupu drži gravitacija.

Zamislimo da roj mušica poklopimo jednim velikim akvarijem. I drugi roj mušica, nedaleko prvog, poklopimo drugim velikim akvarijem. Ta dva akvarija sad predstavljaju dvije skupine galaksija unutar jedne superskupine. I unutar superskupine gravitacija može nadvladati širenje prostora. To je kao da akvariji stoje na čvrstom tlu.

A sad zamislimo da više takvih akvarija sa zarobljenim rojevima mušica umjesto na čvrsto tlo posložimo uzduž jedne goleme gumene trake. Na traci oko akvarija flomasterom iscrtamo mjesto akvarija. I onda daleke krajeve te trake počnemo vući u suprotnim smjerovima. Iz perspektive jedne mušice svijet sad izgleda ovako: akvarij je nepomičan u odnosu na iscrtani okvir, veličina iscrtanog okvira je stalno ista, no udaljenost do nekog drugog akvarija više nije fiksna nego raste s vremenom. Jučer je mušica izmjerila jednu vrijednost udaljnosti nekog drugog akvarija, a danas drugu, veću od prve. Sutra će izmjeriti još veću vrijednost. Kao da prostor između akvarija raste. Ali ne samo to. Iz perspektive svakog akvarija opaža se udaljavanje svih ostalih akvarija. Bez obzira odakle gledate, svi od vas bježe. I ono najvažnije: što su dalje to se udaljavaju brže. A zapravo nema gibanja akvarija po traci. Svaki stoji na onom obilježenom mjestu na koje smo ga stavili. Opažanje gibanja postoji samo zato što se traka rasteže.

Točno to se događa i sa svemirom. Samo u tri dimenzije. Prostor između dalekih galaksija rasteže se poput gumene trake, a galaksije stoje na svojim mjestima. Gledano iz perspektive bilo koje galaksije, ostale ostale galaksije bježe. I što su udaljenije to bježe brže. Brzina udaljavanja proporcionalna je udaljenosti. A konstanta proporcionalnosti u tom odnosu nosi naziv Hubbleova konstanta, prema Edwinu Hubbleu koji je tu zakonitost otkrio 1929. godine.

Hubbleova zakon (brzina udaljavanja = Hubbleova konstanta  udaljenost) nađen je empirijski, iz mjerenja brzina udaljavanja i udaljenosti dalekih galaksija. Međutim, taj se zakon danas može izvesti iz jednadžbi opće teorije relativnosti. Iz takvih razmatranja, koja pripadaju znanstvenom području koje nazivamo fizičkom kozmologijom, proizlazi općenitija veličina, Hubbleov parametar, koji ovisi o vremenu na kozmičkoj skali. Drugim riječima, brzina širenja svemira nije uvijek bila ista. Samo posebna vrijednost Hubbleovog parametra, ona koju mjerimo danas, nosi naziv Hubbleova konstanta. Hubbleov parametar označavamo s H(t), a Hubbleovu konstantu s H0.

.

Dva glavna pristupa određivanju vrijednosti Hubbleove konstante

Neku fizičku veličinu možemo mjeriti na različite načine. No, svi ti načini moraju voditi k istom rezultatu. S obzirom da fizika nije egzaktna disciplina, poput matematike, onda je pojam istog rezultata malo rastegnut. Svako mjerenje u fizici opterećeno je neizbježnim pogreškama pa se rezultat mjerenja nikad ne izražava kao jedan broj r, nego kao kombinacija dva broja r i p, u formi rp, gdje je r srednja vrijednost, a p pogreška. Smisao je takvog zapisa da je naša mjerena vrijednost u intervalu između (r – np) i (r + np) s određenom vjerojatnošću za određeni n. Ako imamo dva neovisna mjerenja čiji su rezultati r1p1 i r2p2 onda, u fizici, to mogu biti isti rezultati ako ti r-ovi i p-ovi zadovoljavaju određeni odnos (da sad ne ulazim u matematičke detalje). Uglavnom, ako pogreške mjerenja p1 i p2 smanjite onda smanjujete i vjerojatnost da dva neovisna mjerenja daju isti rezultat (pri čemu sami r1 i r2 ne moraju biti točno isti).

Do vrijednosti Hubbleove konstante može se doći na različite načine. Jedan od dva ključna načina je mjerenje brzine opžanog objekta (iz pomaka prema crvenom dijelu spektra, što je priča za sebe, ali razumljiva u okvirima elementarne fizike) i neovisno od toga mjerenje udaljenosti objekta (što je opet priča za sebe o kojoj su knjige i knjige napisane). Taj način bismo, uvjetno rečeno, mogli nazvati izravnim. Metoda je usko povezana s stanjem svemira danas.

Drugi od dva ključna načina, za određivanje vrijednosti Hubbleove konstante, povezan je sa stanjem ranog svemira. Tom se metodom vrijednost Hubbleove konstante računa, na temelju modela ΛCDM, iz mjerenja fluktuacija kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, koji je relikt velikog praska. Model ΛCDM je najbolja teorija razvoja svemira koju zasad imamo, gdje Λ označuje kozmološku konstantu, a CDM je akronim za cold dark matter (hladnu tamnu tvar). Na temelju najboljih mjerenja fluktuacija kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, koje je napravio satelit Planck, zadnji su proračuni objavljeni 2018. godine. Prema njima je vrijednost Hubbleove konstante H0 = (67,4 ± 0,5) km/s/Mpc. Vrijednost te pogreške je ispod 1% od srednje vrijednosti.

.

Adam Riess i njegovi suradnici značajno su poboljšali preciznost mjerenja Hubbleove konstante

Prvi način određivanja vrijednosti Hubbleove konstante, koji se temelji na mjerenjima udaljenosti i brzina, dosad je davao srednju vrijednost Hubbleove konstante oko 74 km/s/Mpc, ali s relativno velikom pogreškom tako da se – statistički gledano – moglo nadati da se radi o istom rezultatu.

A onda su Adam Riess, koji je 2011. godine dobio Nobelovu nagradu za otkriće ubrzanog širenja svemira, i njegovi suradnici usavršili metodu mjerenja udaljenosti Hubbleovim teleskopom, na temelju opažanja 70 cefeida u Velikom Magellanovom oblaku, tako da su vrijednost svoje pogreške smanjili na svega 1,9%. Dobili su vrijednost Hubbleove konstante H0 = (74,03 ± 1,42) km/s/Mpc. Njihov je rad upravo prihvaćen u časopisu The Astrophysical Journal.

.

Nema više guranja problema pod tepih

I sad, statistički gledano, jako se smanjila mogućnost da (67,4 ± 0,5) i (74,03 ± 1,42) predstavljaju jedan te isti broj. Zeznuo nas Riess. Umjesto da se, osam godina nakon Nobelove nagrade, kočoperi po fakultetu i ne radi ništa pod milim bogom, ili da recimo tjera politiku, čovjek marljivo radi vrhunsku znanost, kao da je na samom početku svoje znanstvene karijere. Svaka čast.

Što dalje? Sad smo sigurni da dvije neovisne metode daju različite rezultate. A to pokazuje da negdje nešto nije u redu. Dvije su mogućnosti. Prva je da sa samim mjerenjima nešto ne štima. To nije isključeno, ali je malo vjerojatno jer se radi o iskusnim i velikim timovima koji dugi niz godina rade na tome i čiji su rezultati višestruko i pažljivo provjereni. Druga je mogućnost da model na koje se oslanjaju posredno dobiveni rezultati, konkretno kozmološki model ΛCDM, nije potpun. Postoji još nešto važno što nismo uzeli u obzir, zato što za to još ne znamo. Drugim riječima, potrebna je nova fizika. A to je dobra vijest. To je ono nešto zbog čega fizičari žive i rade.