Czy ekspansja wszechświata nadal przyśpiesza?

Wszech­świat się roz­sze­rza. Wiemy o tym od czasów pio­nier­skich obser­wa­cji Edwina Hubble’a i do dziś nie budzi to więk­szych wąt­pli­wo­ści wśród kosmo­lo­gów. Mniej oczy­wi­sta pozo­sta­je kwestia tempa tej eks­pan­sji. Czy po upływie 13,8 miliar­da lat prze­strzeń kosmicz­na roz­ra­sta się w sposób stały? Spo­wal­nia? A może jeszcze przy­śpie­sza? Odpo­wiedź jest o tyle inte­re­su­ją­ca, że zade­cy­du­je o przy­szło­ści i rodzaju śmierci wszechświata.

Przez ponad ćwierć wieku badacze przy­chy­la­li się ku ostat­niej opcji. Analizy z lat 90. mocno suge­ro­wa­ły, że wszech­świat nie tylko pęcz­nie­je, ale roz­ra­sta się coraz szyb­ciej. Jednak zgodnie z naj­now­szą publi­ka­cją fizyków z Uni­wer­sy­te­tu Yonsei w Seulu, część bardzo istot­nych pomia­rów, na których oparto obecne poglądy, mogła zostać błędnie zin­ter­pre­to­wa­na. A ponie­waż temat jest sza­le­nie trudny, nie­któ­re quasi-naukowe portale zdążyły już narobić infor­ma­cyj­ne­go bałaganu.

Pod­kre­ślę więc na starcie, że nikt nie zane­go­wał samego faktu roz­sze­rza­nia wszech­świa­ta, ani podstaw teorii wiel­kie­go wybuchu. Rze­czy­wi­sty spór, który roz­grze­wa naukow­ców, zresztą nie od wczoraj, dotyczy kon­kret­ne­go modelu – ozna­cza­ne­go w żar­go­nie jako Lambda-CDM.

Żeby cokol­wiek zro­zu­mieć z tego zamie­sza­nia, musimy cofnąć się o trzy dekady. 

Świat nauki roz­grze­wa­ła wówczas rywa­li­za­cja dwóch nie­za­leż­nych grup badaw­czych, kie­ro­wa­nych przez naj­bar­dziej uta­len­to­wa­nych astro­fi­zy­ków tamtego poko­le­nia. Jedną była kali­for­nij­ska ekipa The Super­no­va Cosmo­lo­gy Project, pro­wa­dzo­na przez Saula Per­l­mut­te­ra. Drugi projekt, pod nazwą The High‑z Super­no­va Search Team, reali­zo­wa­li Brian Schmidt i Adam Riess z austra­lij­skie­go Obser­wa­to­rium Mount Stromlo.

Oba zespoły polo­wa­ły na bardzo kon­kret­ny rodzaj odle­głych obiek­tów astro­no­micz­nych: super­no­we typu Ia.

Supernowa to taka wybuchająca gwiazda, prawda?

Owszem, ale eks­plo­zje mogą prze­bie­gać w różny sposób. Typ Ia wystę­pu­je w przy­pad­ku cia­snych układów podwój­nych, gdzie jednym ze skład­ni­ków jest zwykła gwiazda ciągu głów­ne­go (jak nasze Słońce), a drugim biały karzeł – mała i gęsta pozo­sta­łość po śmierci innej nie­du­żej gwiazdy.

Biały karzeł pełni w tym związku rolę tok­sycz­ne­go part­ne­ra, który zachłan­nie pod­kra­da materię od swojej towa­rzysz­ki. Ściąga na siebie plazmę sąsied­niej gwiazdy, a gdy jego masa prze­kro­czy pewną kry­tycz­ną granicę, docho­dzi do potwor­nej reakcji ter­mo­ją­dro­wej. Obiekt zostaje roze­rwa­ny na strzępy w malow­ni­czej eksplozji.

Błysk jest na tyle jasny, że wyróż­nia się na tle całej galak­ty­ki i ziem­skie tele­sko­py są w stanie zare­je­stro­wać go z odle­gło­ści milio­nów, a nawet miliar­dów lat świetlnych. 

Jednak naj­waż­niej­sze jest to, że biały karzeł zawsze wybucha w podob­nym momen­cie, zanim osią­gnie limit wyno­szą­cy ~1,44 masy Słońca (tzw. granica Chan­dra­se­kha­ra). Dzięki temu super­no­we Ia prze­bie­ga­ją w prze­wi­dy­wal­ny sposób i emitują zbli­żo­ną ilość energii.

Co nam daje ta przewidywalność?

Pomyśl o prze­strze­ni kosmicz­nej, jak o dużym ciemnym pomiesz­cze­niu, w którym świeci się jedna punk­to­wa żaró­wecz­ka. Jeżeli nie znasz mocy żarówki, trudno będzie ci ocenić, czy masz do czy­nie­nia ze słabą lampką znaj­du­ją­cą się dość blisko, czy może jasną, ale leżącą nieco dalej. Jeżeli jednak wiesz, że za ten model odpo­wia­da firma pro­du­ku­ją­ca wyłącz­nie żarówki o okre­ślo­nej mocy i rozu­miesz, że jasność maleje z kwa­dra­tem odle­gło­ści – masz wszyst­ko, co potrzeb­ne, żeby obli­czyć dystans między tobą i źródłem światła.

Astro­no­mo­wie napraw­dę lubią takie prze­wi­dy­wal­ne zja­wi­ska, ponie­waż mogą na nich polegać. Nazy­wa­ją je świe­ca­mi stan­dar­do­wy­mi.

Zespoły Per­l­mut­te­ra, Schmid­ta i Riessa ziden­ty­fi­ko­wa­ły łącznie około stu super­no­wych Ia z różnych zakąt­ków wszech­świa­ta. Dla każdej wykre­śli­li krzywą blasku, sza­cu­jąc jej odle­głość. Następ­nie mierząc prze­su­nię­cia linii spek­tral­nych, usta­la­li jak szybko się od nas odda­la­ją. Zesta­wia­jąc te dane, obie ekipy nie­za­leż­nie od siebie ogło­si­ły, że roz­sze­rza­nie prze­strze­ni nie tylko trwa, ale nabiera tempa.

Nie był to wcale ocze­ki­wa­ny wniosek! Jeszcze przed zebra­niem danych więk­szość badaczy spo­dzie­wa­ła się, że wszech­świat już dawno powi­nien zacząć hamować. Gdyby obsta­wia­li pie­nią­dze, poszli­by z torbami.

Dlatego tamte wyniki uznano za prze­ło­mo­we. Dlatego Saul Per­l­mut­ter, Adam Riess i Brian Schmidt w 2011 roku podzie­li­li się Nagrodą Nobla w dzie­dzi­nie fizyki. Dlatego też w lite­ra­tu­rze zaroiło się od takich pojęć jak stała kosmo­lo­gicz­na (zaczerp­nię­ta od Ein­ste­ina), czynnik Λ (lambda), kwin­te­sen­cja, czy naj­po­pu­lar­niej­sza ciemna energia. Wszyst­kie te fan­ta­zyj­ne terminy były próbą nazwa­nia tajem­ni­cze­go ujem­ne­go ciśnie­nia, roz­py­cha­ją­ce­go wszech­świat we wszyst­kich kierunkach.

Dodając do tej ukła­dan­ki zagadkę zimnej ciemnej materii (cold dark matter), otrzy­mu­je­my osza­ła­mia­ją­cy wniosek: aż 95% mate­rial­no-ener­ge­tycz­nej treści wszech­świa­ta, pozo­sta­je przed nami ukryte. Właśnie ten wsty­dli­wy pogląd kryje się pod for­mal­ną ety­kie­tą Lambda-CDM.

Dobrze, ale gdzie tu miejsce na nowy pomysł Koreańczyków?

W nowej publi­ka­cji pięciu uczo­nych – Young-Wook Lee, Junhyuk Son, Chul Chung, Seun­ghy­un Park oraz Hyejeon Cho – wyra­zi­ło wąt­pli­wość, doty­czą­cą samej pod­sta­wy wcze­śniej­szych analiz. Bo co, jeżeli eks­plo­zje super­no­wych typu Ia wpu­ści­ły nas w maliny? Co jeżeli świece stan­dar­do­we, na których pole­ga­ły zastępy kosmo­lo­gów, wcale nie są aż tak… standardowe?

Powie­dzia­łem już o mak­sy­mal­nej masie, jaką może osią­gnąć biały karzeł. Wynika ona z rów­no­wa­gi pomię­dzy ciśnie­niem zde­ge­ne­ro­wa­nych elek­tro­nów wewnątrz obiektu, a pró­bu­ją­cą go zmiaż­dżyć siłą gra­wi­ta­cji. Jeżeli takie ciało prze­kro­czy 1,44 masy Słońca (M_☉), balans zostaje zachwia­ny, co kończy się kolap­sem i nie­kon­tro­lo­wa­ną reakcją termojądrową.

Pamiętam. Powtarzasz się.

Teraz muszę nieco namącić. Granica Chan­dra­se­kha­ra (od nazwi­ska wspa­nia­łe­go indyj­skie­go astro­fi­zy­ka) to tak napraw­dę górny fizycz­ny limit wytrzy­ma­ło­ści białych karłów. Żaden obiekt tego rodzaju nie może być zatem masyw­niej­szy niż 1,44 M_☉, ale jak naj­bar­dziej może eks­plo­do­wać wcze­śniej. Jeden pęknie osią­ga­jąc 1,42 M_☉, inny przy 1,40 M_☉, jeszcze inny 1,35 M_☉ i tak dalej. To oznacza, że emi­to­wa­ne sygnały nie są abso­lut­nie iden­tycz­ne, co przy bardzo pre­cy­zyj­nych pomia­rach ma znaczenie.

Badacze nie uwzględnili czegoś tak oczywistego?

Uwzględ­ni­li, nie tu leży problem. Naukow­cy od dawna wiedzą, że nawet super­no­we Ia mają swoje odchyły i nauczy­li się je roz­po­zna­wać. Po pierw­sze, słabsze eks­plo­zje cha­rak­te­ry­zu­je szyb­ciej opa­da­ją­ca, węższa krzywa blasku (kore­la­cja sze­ro­kość-jasność). Po drugie, ich światło jest zwykle bar­dziej prze­su­nię­te ku czer­wo­nej części widma (kore­la­cja kolor-jasność). Na tej pod­sta­wie kali­bro­wa­no reje­stro­wa­ne sygnały do wspól­ne­go standardu.

Według zespołu z Seulu właśnie na etapie kali­bra­cji coś przeoczono.

Kore­ań­czy­cy uważają, że opisane wyżej korekty jasno­ści – przez kształt krzywej blasku i kolor – nie dają pra­wi­dło­wych wyników, jeżeli nie nanie­sie się dodat­ko­wej popraw­ki, doty­czą­cej wieku obser­wo­wa­nych obiektów.

Brzmi jak jakiś astronomiczny ageizm. Co ma jedno do drugiego?

Lee i jego zespół prze­ana­li­zo­wa­li dane z 300 galak­tyk, w których zaob­ser­wo­wa­no super­no­we Ia. Następ­nie uży­wa­jąc spek­tro­sko­pii, pró­bo­wa­li ustalić prze­cięt­ny wiek two­rzą­cych je gwiazd. Zesta­wia­jąc dane dostrze­gli, że ist­nie­je silna kore­la­cja pomię­dzy wiekiem popu­la­cji gwiazd w galak­ty­kach, a odchy­le­nia­mi w jasno­ści super­no­wych. Z jakie­goś powodu w młod­szych galak­ty­kach super­no­we wypa­da­ją średnio odro­bi­nę słabiej, od tych w galak­ty­kach starszych.

Rzecz w tym, że co do zasady więcej młodych gwiazd zawie­ra­ją galak­ty­ki odle­glej­sze (o wyższym prze­su­nię­ciu ku czer­wie­ni, ozna­cza­ne­go literką z). Wynika to z pro­ste­go faktu, że patrząc daleko w głąb wszech­świa­ta dosłow­nie oglą­da­my histo­rię. Im dalej leży obiekt, tym bar­dziej archi­wal­ny obraz dociera do naszych teleskopów.

Dlatego też w arty­ku­le możemy prze­czy­tać, że pomię­dzy galak­ty­ka­mi sąsied­ni­mi (z=0) a tymi odda­lo­ny­mi o 7,7 miliar­da lat świetl­nych (z=1), średni wiek zba­da­nych popu­la­cji gwiazd różni się o około 5,3 miliar­da lat.

Jeśli to prawda, to światło odle­głych (młodych) świec stan­dar­do­wych było dodat­ko­wo przy­ga­szo­ne, zabu­rza­jąc naszą per­spek­ty­wę. Nie leżą one aż tak daleko, jak się zdawało, a wszech­świat nie powięk­sza swoich roz­mia­rów w takim tempie, jak suge­ro­wa­ły dawne analizy.

Domnie­ma­ny błąd wynosi 0,03 magni­tu­do na każdy miliard lat. A ponie­waż różnice w średnim wieku gwiazd w bada­nych galak­ty­kach mają sięgać nawet 5,3 miliar­da lat, korekta jasno­ści dla super­no­wych może wynosić w skraj­nym przy­pad­ku prawie 0,16 magni­tu­do. Teo­re­tycz­nie to wystar­cza, żeby wyraź­nie zre­in­ter­pre­to­wać dane i nad­wy­rę­żyć dotych­cza­so­we modele.

Jak bardzo nadwyrężyć?

Autorzy arty­ku­łu poka­za­li, że gdyby wpro­wa­dzić popraw­kę z wieku do naj­więk­szych zesta­wów danych (Pan­the­on+ i DES-SN5YR), to prze­sta­ją one wspie­rać pomysł ciemnej energii o stałej war­to­ści. Model Lambda-CDM nale­ża­ło­by zastą­pić modelem w₀w_aCDM, gdzie ciemna energia ewo­lu­uje w czasie. Publi­ka­cja suge­ru­je przy tym war­to­ści w₀ = ‑0,34 oraz w_a = ‑1,9, co znaczy tyle, że ciśnie­nie ciemnej energii już słabnie. 

Wszech­świat raczej nie wrzuci jutro wstecz­ne­go, ale zdaniem autorów zdjął nogę z gazu.

Otwiera to na nowo dys­ku­sję na temat przy­szłych losów wszech­świa­ta. W modelu Lambda-CDM galak­ty­ki ucie­ka­ły­by od siebie bez końca. Gwiazdy i cała reszta materii powo­lut­ku ule­ga­ły­by wypa­le­niu, wyga­sze­niu i roz­pad­nię­ciu, aż do pełnego triumfu entropii. 

W modelu w₀w_aCDM wszyst­ko zależy od tego, jak bardzo osłab­nie ciemna energia. Może być tak, że wszech­świat dalej będzie rósł i zmie­rzał ku śmierci ciepl­nej – ale tempo eks­pan­sji na pewnym etapie zosta­nie usta­bi­li­zo­wa­ne. Nato­miast nie­wy­klu­czo­ny staje się też sce­na­riusz, w którym pewnego dnia ciemna energia zacznie prze­gry­wać z gra­wi­ta­cją. Galak­ty­ki zaczną zmie­rzać z powro­tem ku sobie, aż do wiel­kie­go kolapsu.

Nie żeby jeden finał był z naszego punktu widze­nia szcze­gól­nie przy­jaź­niej­szy od drugiego.

Pora już na wymianę podręczników?

Zde­cy­do­wa­nie lepiej pocze­kać. Czy­ta­jąc donie­sie­nia prasowe, rze­czy­wi­ście można odnieść wra­że­nie, że sprawa została prze­są­dzo­na. Nie­któ­rzy przy­ta­cza­ją nawet, że badanie miało bardzo wysoką pewność na pozio­mie 5,5σ (sigma), co miałoby kończyć dyskusję. 

Trzeba to jednak uści­ślić. W publi­ka­cji rze­czy­wi­ście pada wartość 5,5σ, ale dotyczy ona wyłącz­nie kore­la­cji między jasno­ścią świec stan­dar­do­wych, a wiekiem ich galak­tyk-gospo­da­rzy. Innymi słowy, na wykre­sach widać pewną zależ­ność i zdaniem badaczy mało praw­do­po­dob­ne, aby dane mogły się tak ułożyć w wyniku zupeł­ne­go przypadku.

Na razie więc dosta­li­śmy tylko inte­re­su­ją­cy argu­ment sta­ty­stycz­ny. Zupeł­nie osobna jest kwestia, czy owa sta­ty­sty­ka koniecz­nie podważa model przy­śpie­sza­ją­ce­go wszech­świa­ta. Bo nawet praw­dzi­wa kore­la­cja, nie musi być rów­no­znacz­na z przyczynowością.

Łatwo tu o pomyłkę, na co zwraca uwagę sam Adam Riess – jeden z nobli­stów z 2011 roku. Tak się składa, że już wiele lat temu w szer­szych i dokład­niej­szych bada­niach dostrze­żo­no inną zależ­ność. Według niej super­no­we Ia są prze­cięt­nie jaśniej­sze w galak­ty­kach o więk­szej masie oraz ciem­niej­sze w tych o masie mniej­szej. Dodając do tego fakt, że galak­ty­ki odległe, ufor­mo­wa­ne bliżej wiel­kie­go wybuchu, są często drob­niej­sze (nie jest to twarde prawo, ale widać ten­den­cję), może okazać się, że sam wiek był tu tylko przy­pad­ko­wym świad­kiem. A ma to takie zna­cze­nie, że akurat kore­la­cja masa-jasność jest już uwzględ­nia­na we współ­cze­snych prze­glą­dach nieba. Nano­sze­nie obu popra­wek – zarówno z wieku jak i masy – nie ma sensu, ani uzasadnienia.

Nie brakuje też wąt­pli­wo­ści natury tech­nicz­nej i meto­do­lo­gicz­nej. Czy uśred­nio­ny wiek galak­ty­ki można wprost odnosić do wieku kon­kret­ne­go białego karła? Czy możemy zakła­dać, że krzywe blasku zmie­nia­ją się dokład­nie w taki sposób, żeby udawać efekt przy­śpie­sza­nia wszech­świa­ta? Czy powin­ni­śmy stawiać takie tezy, nie znając astro­fi­zycz­ne­go mecha­ni­zmu, sto­ją­ce­go za domnie­ma­nym przy­ciem­nie­niem młodych super­no­wych? Zespo­ło­wi z Seulu obrywa się od eks­per­tów również za wyko­rzy­sta­nie prze­sta­rza­łych, kiep­skiej jakości danych, gdzie część super­no­wych nawet nie musi należeć do typu Ia.

Napi­saw­szy to, mimo wszyst­ko trzymam za Kore­ań­czy­ków kciuki. Nie da się ukryć, że kosmo­lo­gia już jakiś czas temu weszła w stan tur­bu­len­cji. Nie wiadomo, czy wyjdzie z nich w jednym kawałku, ale szu­ka­nie wyjścia ewa­ku­acyj­ne­go to w tej sytu­acji całkiem przy­tom­ny pomysł.

A TAK W OGÓLE TO… Jeden z pro­ble­mów w tej dys­ku­sji jest taki, że nie znamy astro­fi­zycz­nej przy­czy­ny, która miałaby uza­sad­niać rzekomą zależ­ność jasno­ści świecy stan­dar­do­wej od wieku galak­ty­ki-gospo­da­rza. Wiemy, że jednym z czyn­ni­ków wpły­wa­ją­cych na blask super­no­wych jest syn­te­zo­wa­ny w czasie kolapsu białego karła nikiel-56. To nie­sta­bil­ny izotop, który przez swoją pro­mie­nio­twór­czość dodat­ko­wo nagrze­wa roz­rzu­co­ną materię, pod­bi­ja­jąc jasność super­no­wej. Co do wieku: arty­ku­ły z roku 2003 i 2008 suge­ru­ją, że wybuchy młodych gwiazd pro­du­ku­ją więcej niklu-56, więc powinny być nieco moc­niej­sze. To jednak kolejny kłopot dla Lee i jego part­ne­rów, bo ich wniosek brzmi dokład­nie odwrot­nie: super­no­we w młodych (odle­głych) galak­ty­kach powinny być średnio słabsze.