O nouă măsurătoare pune la îndoială ce se știa până acum despre expansiunea Universului17 min read

Oamenii de știință au făcut noi descoperiri legate de constanta Hubble, o mărime cosmică esențială care permite înțelegerea vitezei cu care se extinde Universul.

De aproape o sută de ani, astronomii știu că Universul este în expansiune.// „Our expanding universe: Age, history & other facts”, space.com // Dar care este viteza cu care are loc această dilatare a Universului? Răspunsul este cauza apariției uneia dintre cele mai interesante probleme cu care se confruntă cosmologia la ora actuală.

Problema este reprezentată de discrepanța dintre valorile rezultate din folosirea a două metode diferite pentru măsurarea acestei viteze de extindere a Universului. Pe de o parte, astronomii se folosesc de radiația cosmică de fond,// O radiaţie electromagnetică cu frecvenţa de 160,2 GHz ce este răspândită în tot Universul. Aceasta a fost descoperită în anul 1964 de astronomii Arno Penzias şi Robert Wilson. // o relicvă a luminii Universului foarte timpuriu (aproximativ 380.000 de ani după Big Bang) pentru a prognoza care ar trebui să fie viteza actuală de expansiune. 

Pe de altă parte, pot folosi observații asupra unor stele din galaxii relativ apropiate, cu ajutorul cărora pot stabili distanțele până la respectivele galaxii, iar mai apoi să calculeze viteza cu care acestea se îndepărtează de noi.

Dr. Edwin P. Hubble. Foto: Bettmann Archive / Getty Images

În 1929, celebrul astronom american Edwin Hubble, a adus primele dovezi observaționale ale faptului că Universul se află în expansiune. În cinstea acestei realizări, rata de expansiune a Universului a fost numită constanta Hubble (o găsești notată cu H0). Diferența dintre valoarea constantei Hubble prognozată de modelul matematic (ΛCDM) folosit de astronomi pentru a descrie tot ce se întâmplă în Univers și cea care reiese din observațiile astronomice ale galaxiilor apropiate a fost numită tensiunea Hubble.

Dacă modelul ΛCDM (Λ = energia întunecată, CDM = materia întunecată), pe baza observațiilor radiației cosmice de fond realizate de satelitul european Plank, oferă o valoare de aproximativ 67 de kilometri pe secundă pe megaparsec, observațiile galaxiilor aflate în apropierea noastră oferă o valoare de aproximativ 73 de kilometri pe secundă pe megaparsec. Dacă ar putea ca diferența dintre cele două valori ale vitezei expansiunii Universului să ți se pară mică, trebuie să știi că pentru cosmologi este prea mare.

De-a lungul timpului, modelul ΛCDM a fost testat de nenumărate ori și de fiecare dată observațiile și experimentele l-au confirmat. Oamenii de știință au mare încredere în acest model, ceea ce face ca diferența apărută între valorile obținute la acest capitol al vitezei expansiunii Universului să fie una foarte surprinzătoare. 

Un studiu// „Status Report on the Chicago-Carnegie Hubble Program (CCHP): Three Independent Astrophysical Determinations of the Hubble Constant Using the James Webb Space Telescope”, arxiv.org // publicat în august 2024, condus de Wendy L. Freedman, de la Universitatea din Chicago, pare să rezolve tensiunea Hubble prin obținerea unei valori de aproximativ 69 de kilometri pe secundă pe megaparsec pentru viteza de expansiune a Universului, foarte apropiată de cei 67 de kilometri pe secundă pe megaparsec prognozați de modelul ΛCDM.

Cum măsoară astronomii distanțele până la stele

Dacă stelele se află în galaxia noastră, și sunt suficient de aproape de noi, pot folosi metoda paralaxei. Este cea pe care o folosești și tu, chiar dacă nu-ți dai seama, pentru a estima distanța până la anumite obiecte, datorită faptului că fiecare dintre ochii tăi observă obiectul țintă din unghiuri ușor diferite, iar creierul poate face rapid niște calcule care îți permit să estimezi cât de departe se află.

Și astronomii folosesc această metodă, utilizând poziții diametral opuse ale Pământului pe orbită în jurul Soarelui pentru observarea acelorași stele din unghiuri diferite. Rezultatul observațiilor este introdus în niște formule matematice, iar mai apoi este obținută distanța la care se află steaua respectivă. Problema cu această metodă e că poate fi utilizată doar pentru stele aflate apoape de noi (câteva sute de ani-lumină) pentru că, dincolo de această distanță, unghiul sub care este văzută steaua va fi atât de mic încât va fi aproape imposibil de detectat.

Henrietta Swan Leavitt. Foto: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Așadar, astronomii trebuie să folosească altă metodă pentru a calcula distanțele pentru stelele mai îndepărtate.În acest sens, oamenii de știință se folosesc de un anumit tip de stele variabile numite cefeide (prima stea variabilă de acest tip a fost descoperită în constelația Cefeu, Delta Cephei). Datorită muncii depuse de Henrietta Swan Leavitt, oamenii de știință au la dispoziție legea Leavitt care le permite să deducă luminozitatea acestor stele variabile în funcție de perioada de variabilitate. Dacă știi cât de luminoasă este o stea, atunci poți calcula cât de departe se află pe baza strălucirii sale aparente. Cu cât este mai departe, cu atât va părea mai puțin strălucitoare.

Dar și această metodă poate fi aplicată doar în galaxia noastră și în altele aflate relativ aproape. Atunci când e nevoie să se stabilească distanțele până la galaxii mai îndepărtate, e nevoie de ceva mai strălucitor decât cefeidele. Iar aceste obiecte mai strălucitoare sunt supernovele.

Nu orice tip de supernovă poate fi folosit, ci doar cele de tip Ia, deoarece acestea se produc într-un sistem format dintr-o stea pitică albă și o altă stea mai mare. Dacă pitica albă este situată destul de aproape de steaua companion, va fura materie de pe aceasta până când va ajunge la limita Chandrasekhar (1.4 mase solare). Dacă va depăși această limită, pitica albă va fi distrusă într-o explozie termonucleară extrem de puternică și de luminoasă –  o supernovă de tip Ia.

Și pentru că toate se petrec exact după ce pitica albă depășește limita Chandrasekhar, înseamnă că luminozitate acestora este aceeași. Și, la fel ca în cazul cefeidelor, dacă știi cât de luminoase sunt aceste supernove, atunci poți calcula distanțele la care se află.

Pentru că sunt obiecte cu o luminozitate bine determinată, și cefeidele, și supernovele de tip Ia, sunt numite de astronomi lumânări standard. Nu sunt singurele, dar sunt cele mai cunoscute și mai utilizate.

Dacă știi distanța la care se află un anumit obiect ceresc și folosești deplasarea spre roșu// Redshift, wikipedia.com // a luminii de la acesta (deplasarea spre roșu arată că obiectul se îndepărtează) poți afla viteza cu care se îndepărtează.

În noul studiu, astronomii și-au concentrat atenția asupra a zece galaxii observate de telescopul spațial James Webb. Aceștia au folosit trei metode pentru a verifica distanța și, deci, viteza de expansiune. Astfel, pe lângă cefeide, astronomii au folosit și două tipuri de stele gigante roșii, (alte clase de stele care pot fi utilizate drept lumânări standard).

Pentru primul tip de stele gigante roșii, au obținut valoarea H0 de 69 de km/s/megaparsec, în timp ce pentru cel de-al doilea tip de gigante roșii echipa a obținut un H0 de 67 de km/s/megaparsec. O problemă a apărut în momentul în care au calculat valoarea și cu ajutorul cefeidelor, penru că în acest caz valoarea H0 obținută a fost de 72 de km/s/megaparsec.

Ai zice că odată media obținută între acest trei valori, 69 km/s/megaparsec, foarte apropiată de cei 67 de km/s/megaparsec prognozați de radiația cosmică de fond, tensiunea Hubble a cam dispărut. Doar că, un alt studiu,// „SN H0pe: The First Measurement of H0 from a Multiply-Imaged Type Ia Supernova, Discovered by JWST”, arxiv.org // apărut în martie 2024, a confirmat din nou tensiunea Hubble, dar folosind o metodă nouă.

Supernova SN HOpe. Foto: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Frye (University of Arizona), R. Windhorst (Arizona State University), S. Cohen (Arizona State University), J. D’Silva (University of Western Australia, Perth), A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute), J. Summers (Arizona State University).

De această dată, o echipă de astronomi a folosit pentru calcularea H0 o imagine realizată de telescopul spațial James Webb a unei supernove mărită și totodată multiplicată cu ajutorul unui fenomen numit lentilă gravitațională. Astfel, supernova SN HOpe, o supernovă de tip Ia, (hope = speranță în limba engleză, deoarece astronomii su speranța ca aceasta să-I ajute să înțeleagă mai bine rata de expansiune a Universului, după cum se precizează într-un comunicat) se află într-o galaxie din constelația Ursa Mare. 

Supernova a explodat când Universul avea vârsta de doar 3,5 miliarde de ani, iar poziția galaxiei gazdă, în spatele unui masiv roi de galaxii (PLCK G165.7+67.0) situat mult mai aproape de noi a făcut-o specială. Roiul PLCK G165.7+67.0 fiind foarte masiv, curbează foarte mult spațiul din preajma sa, astfel că lumina de la supernovă, în drumul spre noi, urmând acest spațiu curbat, ajunge la noi sub forma a trei imagini distincte ale aceleiași supernove.

„O imagine triplă a unei supernove e ceva special. Întârzierile de timp, distanța supernovei și proprietățile lentilei gravitaționale pot da o valoare pentru constanta Hubble”, a precizat Brenda Frye, astronom la Universitatea din Arizona și unul dintre autorii studiului, într-un comunicat.

Iar autorii studiului au și calculat valoarea constantei Hubble ca fiind 75 de km/s/megaparsec, confirmând astfel, din nou, existența tensiunii Hubble.

Cel puțin deocamdată, tensiunea Hubble, continuă să existe și să-i intrige pe oamenii de știință, care nu știu dacă acest lucru înseamnă că e ceva în neregulă cu metodele de măsurare a valorilor constantei Hubble sau dacă există legi ale fizicii pe care nu le-am descoperit până în prezent.