Ve vesmíru zřejmě působí doposud neznámá síla, způsobuje rychlejší rozpínání vesmíru

27. 04. 2019

Temná energie Raný vesmír Gravitační vlny Hubble

Vesmír není statický, neustále se rozpíná, a to stále se zrychlujícím tempem. Doposud však není zcela zřejmé, jak rychlé toto rozpínání vesmíru je. Vědci totiž přišli hned s několika způsoby, jak to změřit, a pokaždé jim vyjde trošku jiná hodnota. Rozdíl se projevuje při pozorování hvězd a supernov v dnešním vesmíru a zkoumání světla z období krátce po vzniku vesmíru. Nová studie, která zpřesňuje pozorování hvězd pomocí teleskopu Hubble, nyní potvrzuje rozdíly v měření a téměř vylučuje možnost chyby. Ve vesmíru tak zřejmě působí doposud nepopsaná síla, která za tímto rozdílem stojí.

Rozpínání vesmíru

Graf znázorňující rozpínání vesmíru na různé vzdálenosti. Čím dál se objekt od Země nachází, tím rychlejší je také jeho vzdalování způsobené rozpínáním vesmíru.

Image credit: Livingfuture.cz

Rychlost rozpínání vesmíru určuje tzv. hubblova konstanta, která udává, jakou rychlostí se od sebe vzdalují objekty v určité vzdálenosti. Její hodnota se nejčastěji nachází mezi 67 a 75 km/s na jeden megaparsek (3,26 milionů světelných let). Zpřesněná měření teleskopu Hubble nyní udávají hodnotu 74,03 km/s/Mpc. Zkoumání reliktního záření vesmírným teleskopem Planck však naznačuje hodnotu 67 km/s/Mpc.

Teleskop Hubble pozoroval specifický typ pulzujících hvězd, tzv. cefeidy (cepheids) v blízké galaxii Velký Magellanův oblak. Perioda pulzů těchto hvězd je přímo úměrná její zářivosti, což umožňuje astronomům velmi přesně změřit vzdálenost těchto hvězd. Díky přesné vzdálenosti potom mohou také určit rudý posuv, který udává, jak rychle se od nás hvězda vzdaluje, a tak odvodit rozpínání vesmíru na vzdálenost mezi Zemí a pozorovanou hvězdou. Ve Velkém Magellanově oblaku jich astronomové s pomocí teleskopu Hubble pozorovali 70 a odvodili rychlost rozpínání vesmíru na 74,03 km/s/Mpc.

Podobné hodnoty byly naměřeny také pozorováním supernov typu Ia, které jsou mají vždy stejnou zářivost a lze i u nich přesně poznat jejich vzdálenost. 

Naopak z pozorování reliktního záření (CMB, Cosmic Microwave Background), které je pozůstatkem světla z velmi raného vesmíru, vychází hodnoty jiné. Vědci k tomu využili data z teleskopů WMAP a Planck a pokusili se odvodit, jak by se měl vesmír do dnešní doby rozpínat. Tato metoda byla několikrát ověřena a měla by z ní vycházet stejná hodnota hubblovy konstanty. Vědcům však stále vychází hodnoty okolo 67-68 km/s/Mpc.

Nová čísla tak nasvědčují rychlejšímu rozpínání v současném vesmíru, než by se dalo očekávat na základě pozorování vesmíru raného. Podle vědců však nejde pouze o rozdílné výsledky dvou experimentů, vypadá to, jako by pozorovali něco úplně jiného. A to i po započítání vlivu temné energie, která zrychlující se rozpínání vesmíru způsobuje. Co by tedy mohlo pozorované rychlejší rozpínání vesmíru vysvětlit?

Nečekaná temná energie v počátcích vesmíru
Jedním z možných vysvětlení je tzv. teorie Brzké temné energie, která počítá se třemi epochami, ve kterých temná energie působila na rozpínání vesmíru. Tou první je prvních několik sekund po velkém třesku, kdy temná energie způsobila rychlou expanzi raného vesmíru. V dnešní době se považuje temná energie za vysvětlení stále se zrychlující expanze vesmíru. A právě ve třetím případě by mohla být temná energie příčinou rozdílu ve výsledcích hubblovy konstanty různými metodami.

Nová částice
Dalším vysvětlením je existence doposud neznámé subatomární částice, která cestuje rychlostí blízkou rychlosti světla. Šlo by o částici z kategorie temné radiace, kam se řadí také například neutrina.

Temná hmota
Kromě temné radiace a temné energie by mohla za rozdíly ve výsledcích hubblovy konstanty stát také temná energie. Tento teoretický koncept má původně vysvětlovat příliš rychlou rotaci galaxií a jejich evoluci, pokud by však její interakce s běžnou hmotou byly intenzivnější, než se doposud uvažovalo, mohla by i temná hmoty být příčinou zrychlujícího se rozpínání dnešního vesmíru.


Rychlost rozpínání vesmíru je podle některých vědců jedním z nejzajímavějších témat dnešní kosmologie. Žádná z teorií nemá jasně navrch nad ostatními a nikdo si není jistý tím, co by měřené hodnoty mohlo vysvětlovat. Astronomové hodlají dále zpřesnit hodnoty oběma metodami a hodlají také využít metody nové. Jednou z takových by mohly být například gravitační vlny, jejichž prostřednictvím lze hubblovu konstantu také spočítat. Zatím však vědci nemají dostaek pozorování pro přesný výpočet. Tomu by mohly pomoci nedávno spuštěné aktualizované detektory LIGO a Virgo, které už nyní detekují zcela nové gravitační vlny.

Rozpínání vesmíru

Rozpínání vesmíru se měří prostřednictvím hubblovy konstanty H0 (Hubblův-Lemaîterův zákon), která udává o kolik kilometrů se za sekundu rozšíří prostor jednoho megaparseku (3,26 milionů světelných let). Způsobů k vypočítání této hodnoty je několik, v blízkém vesmíru například astronomové pozorují konkrétní hvězdy (cefeidy) nebo supernovy, u kterých pomocí rudého posuvu pozorují, jak rychle se od nás vzdalují. Ve vzdáleném vesmíru zkoumají reliktní záření (CMB). Novým způsobem je potom zkoumání rozpínání vesmíru pomocí gravitačních vln.


  

    
Rok
    
Metoda
    
Výsledek
km/s/Mpc
  

    
1929
    
Edwin Hubble potvrdil, že se vesmír rozpíná. Konstantu rozpínání tehdy určil na 500 km/s na megaparsek, takto vysoká byla kvůli různým nepřesnostem při měření.
    
500
  

    
1950´s
    
Zpřesnění hubblovy konstanty.
    
70
  

    
1990´s
    
Potvrzení zrychlující se expanze vesmíru, temná energie se stává nejpřijímanějším vysvětlením tohoto zrychlování.
    

  

    
2001-2010
    
Americká vesmírná sonda WMAP změřila hubblovu konstantu pozorováním reliktního záření po velkém třesku.
    
68-70
  

    
2009-2013
    
Evropská vesmírná sonda Planck naměřila ještě nižší hodnoty hubblovy konstanty podobnou metodou jako WMAP.
    
67-68
  

    
2016
    
Měření rychlosti vzdalování supernov typu Ia od Země.
    
72-75
  

    
2017
    
Na prvních několika detekovaných gravitačních vlnách bylo ověřeno, že lze rozpínání vesmíru odvodit také tímto způsobem, hodnoty jsou však zatím velmi nepřesné (62-82 km/s na megaparsek) a vyžadují více detekcí gravitačních vln.
    
62-82
  

    
2018 
    
Hodnoty odvozené z pozorování cefeid potvrzují nesouvislost mezi měřeními mikrovlnného záření a pozorování hvězd a supernov.
    

  

    
2019
    
Pozorování světla vzdálených kvazarů, jejichž světlo bylo rozděleno gravitační čočkou.
    
72,5
  

    
2019
    
Zpřesnění měření pomocí pozorování cepheid Hubblovým teleskopem.
    
74,03
  

    
2019
    
Na základě detekovaných gravitačních vln z kolize neutronových hvězd a následného elektromagnetického záření přišli vědci s novou hodnotou hubblovy konstanty.
    
70.3
  

    
2019
    
Měření pomocí pozorování červených obrů Hubblovým teleskopem.
    
69.8
  

    
2019
    
Gama záření a rozptýlené extragalaktické světelné pozadí
    
67,4
  

    
2020
    
Porovnání gravitačních vln a elektromagnetického záření z kolizí neutronových hvězd
    
66,2