Астрономите го искористија Вселенскиот телескоп Хабл (Hubble Space Telescope) на НАСА за да ги спроведат досега најпрецизните мерења на стапката на ширење на Универзумот – вредност која првпат беше пресметана пред скоро еден век. Интересно, резултатите ги принудија астрономите да земат предвид дека можеби гледаат доказ за неочекувана појава во Универзумот.
Ова е поради последните откритија на Хабл, кои потврдуваат константно несогласување во резултатите, кои покажуваат дека Универзумот се шири побрзо сега отколку што се очекуваше според претпоставената траекторија која се случила веднаш по Големиот Прскот (Big Bang). Истражувачите предлагаат постоење на нови физички закони кои би го објасниле ова несовпаѓање.
„Научната заедницата навистина се обидува да го сфати значењето на оваа дискрапанца,“ вели водечкиот истражувач и добитник на Нобелова награда Адам Риес, од Научниот Институт Space Telescope (STScI) и Универзитетот Џонс Хопкинс од Балтимор, Мериленд.
Екипата на Риес, во која е вклучен и Стефано Касертано, исто така од STScI и Џонс Хопкинс, го користат Хабл во последните шест години за да ги подобрат мерењата на растојанијата на галаксиите, користејќи ги нивните ѕвезди како маркери во просторот. Овие мерења се користеа за да се пресмета брзината со која се шири Универзумот во текот на времето, вредност позната како Хаблова константа. Новите истражувања на екипата се прошируваат со ѕвезди кои се наоѓаат на растојанија до 10 пати подалеку во Вселената од претходните резултати на телескопот Хабл.
Но, резултатите на Риес укажуваат на разлики во однос со очекуваните вредности произлезени од набљудувањата на раното ширење на Универзумот, кое се случило 378.000 години по Големиот Прскот, насилна случка која го создала Универзумот пред отприлика 13,8 милијарди години. Овие мерења беа направени од сателитот Планк на Европската вселенска агенција (ESA), кој го мапираше космичкото микробраново зрачење, остаток од Големиот Прскот. Разликата помеѓу двете вредности е околу 9 проценти. Новите мерења на Хабл помагаат да се намали нееднаквоста на вредностите со веројатност од 1 во 5.000.
Резултатот на Planck предвидува дека вредноста на Хабловата константа сега треба да биде помеѓу 67 и 69 километри во секунда по мегапaрcек (3, 3 милиони светлински години). Ова значи дека на секои 3,3 милиони светлински години оддалеченост на галаксијата од нас, таа се движи побрзо за 67 километри во секунда. Но, екипата на Риес измери вредност од 73 километри во секунда по мегапарсек, што покажува дека галаксиите се движат со поголема брзина отколку што покажуваат набљудувањата на раната фаза на Универзумот.
Податоците добиени од Hubble се толку прецизни што астрономите не можат да ја отфрлат разликата помеѓу двата резултати како грешка во мерењето или методологија. „Двата резултати беа проверени многукратно и исклучена е серија на неповрзани грешки,“ објаснува Риес, „најверојатно дека ова не е пропуст, туку карактеристика на Универзумот.“
На оваа илустрација се прикажани трите чекори кои астрономите ги користат за да ја измерат стапката на ширење на Универзумот (Хаблова константа) со неверојатна точност, намалувајќи ја вкупната несигурност до 2,3 проценти. Мерките ја надополнуваат и зајакнуваат градбата на скалата на космичките растојанија, која се користи за мерење на точната оддалеченост помеѓу галаксиите кои се блиски, како и оние кои се многу оддалечени од Земјата. Најновото истражување на Хабл го проширува бројот на Цефеиди – променливи ѕвезди кои се користат за анализирање на растојанијата во нашата галаксија до десетпати поголеми од претходните резултати добиени со помош на Хабл. Заслуги: : NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)
Објаснувaње на постојаното несовпаѓање
Риес нагласува неколку можни објаснувања за несовпаѓања, сите поврзани со 95 проценти од Универзумот кој е затскриен во темнина. Една веројатност е дека темната енергија, за која веќе се знае дека го забрзува Универзумот, ги оддалечува галаксиите едни од други со уште поголема, или зголемувачка сила. Ова значи дека самото забрзување можеби нема константна вредност во Универзумот, туку повремени промени во Вселената. Риес ја подели Нобеловата награда во 1988, за откривањето на забрзувањето на Универзумот.
Друго размислување е тоа дека Универзумот содржи нова субатомска честичка која патува скоро со брзина на светлината. Овие брзи честички се групно наречени „темна радијација“, и ги вклучуваат претходно познатите честички како неутрина, кои се создаваат во нуклеарни реакции и при радиоактивни распаѓања. За разлика од нормалните неутрина, кои дејствуваат поради субатомска сила, оваа нова честичка би имала влијание само од гравитација и е наречена „стерилно неутрино“.
Уште една интересна можност е дека темната материја (невидлива форма на материја која не се состои од протони, неутрони и електрони), содејствува многу посилно со нормалната материја или радијација отколку што порано се претпоставуваше.
Било кое од овие можни сценарија би ја променила содржината на раниот Универзум, што ќе значи дека постои несоодветност со теоретските модели. Ваквите несовпаѓања ќе резултираат со неточна вредност за Хобловата константа, која е пресметана според набљудувањата на раниот Универзум. Оваа вредност тогаш би била различна со бројот добиен од набљудувањата на телескопот Хабл.
Риес и неговите колеги сè уште немаат никаков одговор на овој предизвикувачки проблем, но неговата екипа ќе продолжи да работи на допрецизирање на стапката на ширење на Универзумот. Досега, екипата на Риес, наречена „Supernova H0 for the Equation of State“ (SH0ES) ја има намалено оваа непрецизност за 2,3 проценти. Пред телескопот Хабл да биде лансиран во 1990 година, проценките на Хабловата константа варираа за фактор два. Една од клучните цели на Хабл беше да им помогне на астрономите да ја намалат вредноста на оваа променлива во рамките на толеранција од само 10 проценти. Од 2005 година, екипата имаше задача да ја подобри прецизноста на Хабловата константа до точност која ќе овозможи подобро разбирање на однесувањето на Универзумот.
Создавање на прецизна скала на растојанија
Екипата беше успешна во допрецизирање на вредноста на Хабловата константа преку подобрувања во создавањето на космичката скала на растојанија која астрономите ја користат за прецизно мерење на растојанието на галаксиите кои се доближуваат и оддалечуваат од Земјата. Истражувачите ги споредија овие растојанија со ширењето на просторот според мерењето на движењето на светлината од галаксиите кои се оддалечуваат. Тогаш тие ја користеја брзината на галаксиите кои се оддалечуваат на разни растојанија за да ја пресметаат Хабловата константа.
Но, вредноста на Хабловата константа зависи од прецизноста на мерењата. Астрономите не можат да користат мерач на должина за да ги пресметаат растојанијата помеѓу галаксиите. Наместо тоа, тие одбираат посебна група на ѕвезди и супернови како вселенски одбележувачи или маркери за прецизно мерење на галактичките растојанија.
Помеѓу најверодостојни маркери за кратки растојанија се Цефеидите – променливи, пулсирачки ѕвезди кои трепкаат во интервали кои соодејствуваат со нивните светлинско зрачење. Нивните растојанија, значи, можат да се претпостават со споредување на нивната реална светлина со светлината набљудувана од Земјата.
Астрономот Хенриета Ливит беше првата која ја препозна корисноста на Цефеидите, за пресметување на растојанијата во 1913. Но, првиот чекор е да се измери растојанието до нив, независно од нивната сјајност, користејќи ја основната алатка на геометријата наречена паралакса. Паралакса е наводна промена на позицијата на објектот која настанува поради промената на точката на гледиште од страна на набљудувачот. Оваа техника била пронајдена од античките Грци, кои ја користеле за да го измерат растојанието од Земјата до Месечината.
Последните резултати од Хабл се базирани на мерењата на паралакса од осум новоанализирани Цефеиди во нашата галаксија. Овие ѕвезди се околу 10 пати подалеку од било кои проучувани досега, сместени помеѓу 6.000 и 12.000 светлински години од Земјата, што претставува предизвик за мерење. Тие пулсираат во подолги интервали, исто како Цефеидите, набљудувани од Хабл во далечните галаксии кои содржат уште еден веродостојна мерна точка, експлодирачката ѕвезда наречена супернова од тип Ia. Овој вид на супернова свети со еднаква и голема сјајност, доволно за да биде видена од релативно голема далечина. Претходните набљудувања на Хабл проучуваа Цефеид кој трепкаа 10 пати побрзо и беше сместен помеѓу 300 и 1.600 светлински години од Земјата.
Овие фотографии прикажуваат две од 19-те галаксии анализирани со помош на Вселенскиот телескоп Хабл, во проект кој има за цел да ја подобри прецизноста на стапката на ширење на Универзумот, вредност позната како Хаблова константа. На сликите се претставени NGC 3972 (лево) и NGC 1015 (десно), сместени на растојание од 65 и 118 милиони светлински години од Земјата, соодветно. Жолтите кругови ги претставуваат местата каде се наоѓаат пулсирачките ѕвезди наречени променливи Цефеиди. Заслуги: NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)
Скенирање на ѕвездите
За да се измери паралакса со Хабл, екипата требаше да го стабилизира малото треперење на Цефеидите предизвикано од Земјиното движење околу Сонцето. Овие треперења се со големина од само 1/100 дел од единечен пиксел на телескопската камера, која е отприлика со големина на зрно песок оддалечен стотина километри.
Значи, за да се обезбеди точност на мерките, астрономите развија мудар метод кој не беше предвиден кога Хабл беше лансиран. Овие истражувачи пронајдоа скенирачка техника со која телескопот ја мери позицијата на ѕвездата илјадници пати во минута на секои шест месеци до четири години.
Екипата ја усогласува вистинската сјајност на осум бавнопулсирачки ѕвезди и ги споредува со нивните подалечни трепкачки братучеди за да ја намалат непрецизноста во отчитување на скалата за растојание. Истражувачите тогаш ја споредуваат сјајноста на Цефеидите и суперновите во овие галаксии со поголема доверба, такашто ќе можат попрецизно да ја мерат вистинска сјајност на ѕвездата и следствено да се пресметаат растојанијата на илјадници супернови во најоддалечените галаксии со голема прецизност.
Друга предност на ова истражување е дека екипата користеше ист инструмент, Хабловата Широкоаголна камера 3, за да ја усогласат сјајноста на Цефидите, како на блиските, така и на оние во другите галаксии, отстранувајќи ги систематските грешки кои се скоро неизбежни кога се споредуваат мерења од различни телескопи.
„Вообичаено, ако секои шест месеци се обидувате да ги мерите промените на позициите на една ѕвезда во однос на друга на тие растојанија, вие сте ограничени од вашата споспобност да сфатите каде точно се наоѓа ѕвездата,“ објаснува Касертано. Користејќи ги новите техники, Хабл бавно се доближува кон ѕвездената цел и лови слики како траги од светлина. „Овој метод дозволува повторливи можности за мерење на крајно мали промени во позиции поради паралаксата,“ додава Риес. „Вие ја мерите оддалеченоста помеѓу две ѕвезди, не само во една точка на камерата, туку повторно и повторно илјадници пати, намалувајќи ги грешките при мерењето.“
Целта на екипата е понатамошно намалување на разликите во резултатите, користејќи податоци од Хабл на НАСА и Вселенската опсерваторија Гаја на ESA, кои ќе ги мерат позициите и растојанијата на ѕвездите со ненадмината прецизност. „Оваа прецизност е потребна за да се одреди причината за овие разлики,“ вели Касертано.
Превод: Небојша Крстевски
Извор: Phys
