Visata plečiasi greičiau, nei manyta: nauji duomenys signalizuoja fizikos krizę

Tiksliausias iki šiol Visatos plėtimosi greičio matavimas rodo, kad susiduriame su rimta problema.

Tarptautinė „H0DN Collaboration“, parengusi bendruomeninę išvadų apžvalgą apie Hablo konstantą (H₀), iš naujo sužymėjo kosminio plėtimosi matavimo „žymeklius“ ir sukūrė sistemą, leidžiančią vietinėje Visatoje šį dydį nustatyti itin tiksliai.

Pagal jų sudarytą metodų tinklą, vietinės Visatos plėtimosi greitis siekia 73,5 kilometro per sekundę megaparsekui, o rezultato patikimumas įvertintas 7 sigmomis.

Tačiau bėda ta, kad nepriklausomi ankstyvosios Visatos matavimai ir toliau rodo kitą reikšmę – apie 67,24 kilometro per sekundę megaparsekui. Naujausi patikslinimai prieštaros neišsprendė: skirtumas, vadinamas Hablo įtampa, išlieka.

Visata atsirado maždaug prieš 13,8 mlrd. metų ir nuo to laiko plečiasi. Šio plėtimosi tempą apibūdina Hablo konstanta, arba H₀, – vienas svarbiausių dydžių, kuriais remiamasi aiškinantis kosmoso sandarą.

H₀ padeda apskaičiuoti Visatos amžių ir dydį, geriau suprasti paslaptingosios tamsiosios energijos įtaką, taip pat yra būtinas nustatant tarpgalaktinius atstumus.

Astronomai turi kelis itin tikslius būdus H₀ įvertinti, tačiau čia ir prasideda problemos. Visi metodai, taikomi vietinei, palyginti nesenai Visatai, pateikia gana sutampančius rezultatus – apie 72–74 kilometrus per sekundę megaparsekui.

Tuo tarpu metodai, skirti tolimai, ankstyvajai Visatai, taip pat tarpusavyje dera, bet rodo mažesnį skaičių – apie 67–68 kilometrus per sekundę megaparsekui.

Šių dviejų epochų rezultatų suderinti nepavyksta, o tai leidžia manyti, kad dabartiniame Visatos modelyje kažko esminio trūksta. Būtent ši neatitiktis ir vadinama Hablo įtampa.

„H0DN Collaboration“ nusprendė problemą analizuoti sutelkdama dėmesį į vietinę Visatą. Vietiniam H₀ nustatyti tradiciškai pasitelkiamos vadinamosios kosminių atstumų kopėčios – kai skirtingi atstumo matavimo metodai sudaro nuoseklią grandinę, kur kiekviena „pakopa“ remiasi ankstesniąja.

Pirmoji pakopa yra paralaksas – regimas dangaus kūnų padėties poslinkis, stebint juos iš skirtingų taškų. Žemei judant aplink Saulę, žvaigždžių paralaksas leidžia nustatyti jų atstumą.

Antroji pakopa – žinomo ryškio žvaigždės, pavyzdžiui, cefeidės. Trečioji pakopa – Ia tipo supernovos, kurių didžiausias ryškis yra pakankamai vienodas, todėl jos tinka kaip „standartiniai švyturiai“.

Viena iš galimų Hablo įtampos priežasčių ilgą laiką buvo įtarimas, kad vienoje iš šių pakopų galėjo įsivelti sisteminė paklaida, o ji vėliau persiduoda į galutinį rezultatą.

Siekdami tai patikrinti, tyrėjai sukūrė ne vieną linijinę „kopėčių“ grandinę, o daugelio persidengiančių metodų atstumų tinklą. Į jį įtrauktos cefeidės, raudonųjų milžinių šakos viršūnės žvaigždės, Mirų kintamosios, megamazeriai, Ia ir II tipo supernovos, paviršinio ryškio fluktuacijos, Tuli–Fišerio ryšys bei vadinamoji fundamentinė plokštuma.

Šie metodai leidžia tiksliai matuoti atstumus iki netolimų žvaigždžių ir galaktikų, o dalis jų tarpusavyje persidengia, todėl galima nuosekliai tikrinti vienų rezultatų suderinamumą su kitais. Apjungtas vietinių atstumų tinklas rodo, kad vietinė Hablo konstanta yra 73,5 kilometro per sekundę megaparsekui.

Esminė naujojo darbo dalis – kruopštus rezultatų „streso testavimas“. Tyrėjai paeiliui šalino atskirus metodus ir net skirtingus teleskopus, tikrindami, ar vieno elemento pašalinimas reikšmingai pakeistų galutinę reikšmę (tai rodytų konkretaus metodo problemą). Taip pat buvo naudojami skirtingi duomenų rinkiniai ir keičiamos analizės prielaidos.

Rezultatas beveik nesikeitė. Tai laikoma vienu griežčiausių vietinio H₀ patikrinimų iki šiol, o išvada atlaikė visus bandymus.

Vis dėlto ir tolimos, ankstyvosios Visatos H₀ matavimai yra tvirti – jie nuosekliai išlieka apie 67 kilometrų per sekundę megaparsekui zonoje.

Pastaraisiais metais dalis tyrimų siekė Hablo įtampą paaiškinti tuo, kad vieni ar kiti matavimai gali būti klaidingi. Tokia prielaida dažnai atrodo natūrali: kai tenka rinktis tarp žmogaus klaidos ir nežinomos fizikos, paprastai pirmiausia ieškoma klaidų duomenyse ar metodikoje.

Tačiau naujasis darbas sustiprina argumentą, kad neatitikimas greičiausiai yra realus ir gali reikšti, jog prireiks naujos fizikos idėjų arba gilesnės ankstyvosios Visatos išvadų peržiūros.

„Vien tik tamsiosios energijos modelių ribojimo užduotis, kaip buvo numatyta prieš dešimtmetį, dabar užleidžia vietą platesnei neatitikčiai standartinėje kosmologinėje sistemoje, o didesnis H₀ tikslumas sustiprina poreikį naujai fizikai arba gilesniam ankstyvosios Visatos išvadų persvarstymui“, – rašo „H0DN Collaboration“.

„Kintantis H₀ vaidmuo jau pakeitė mūsų supratimą apie tiksliąją kosmologiją, o ateityje gali laukti dar ne viena staigmena“, – priduria jie.