A NASA kiderítette, komoly bajban vagyunk

A friss felfedezés megkérdőjelezheti az univerzummal kapcsolatos ismeretink alapját

Fotó: Space Wallpapers

A James Webb és a Hubble űrteleszkópokkal dolgozó tudósok megerősítették, hogy nem mérési hibára vezethető vissza az a megfigyelési eredmény, mely szerint az univerzum tágulásának üteme nem egyenletes, hanem eltérő sebességű. A csillagászok a James Webb és a Hubble űrteleszkópokat használták fel arra, hogy megerősítsék az elméleti fizika egyik legaggasztóbb rejtvényét, vagyis azt, hogy az univerzum elképesztően eltérő sebességgel tágul attól függően, hogy honnan nézzük.

Nem mérési hiba az univerzum eltérő sebességű tágulása, félrértettük a világmindenséget

Ez a Hubble-feszültség néven is ismert probléma képes megváltoztatni vagy akár teljesen felforgatni a jelenleg irányadó kozmológiai modellt. Először 2019-ben a Hubble űrteleszkóp mérései fedték fel, hogy ez az egyelőre megmagyarázhatatlan anomália valódi jelenség ; 2023-ban a James Webb űrteleszkóp (JWST) még pontosabb mérései pedig  újfent bizonyossá tették ezt. Úgy tűnik, hogy a két teleszkóp észlelési adatainak háromszoros ellenőrzése végleg elvetette a mérési hibák lehetőségét. Az Astrophysical Journal Letters szakfolyóiratban február 6-án megjelent tanulmány azt sugallja, hogy valami komoly probléma lehet az univerzum megértésében.

Ha a mérési hibákat elvetjük, akkor csak az a valódi és izgalmas lehetőségünk marad, hogy félreértettük az univerzumot

- nyilatkozta Adam Riess, a tanulmány vezető szerzője, a Johns Hopkins Egyetem fizika- és csillagászprofesszora. Érdemes megjegyezni, hogy a professzor két másik kutatótársával Samuel Perlmutter és Brian P. Schmidt asztrofizikusokkal együtt az univerzum gyorsuló tágulásával kapcsolatos felfedezéséért, illetve a hipotetikus sötét anyag kutatásához fűződő munkásságukért 2011-ben megkapták a fizikai Nobel-díjat. Jelenleg két "arany standard" módszer létezik az úgynevezett Hubble-állandó meghatározására, ami az univerzum tágulási sebességét írja le. 

Samuel Perlmutter, Brian P. Schmidt, és Adam Riess (a képen jobb szélen) az univerzum gyorsuló tágulásával kapcsolatos kutatásaikért nyerték el a 2011-es fizikai Nobel-díjat 
Fotó: Nobel Prize

Az első a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB) apró ingadozásaiból indul ki, ami az univerzum első fényének az ősi emléke, és amely mindössze 380 ezer évvel a „Big Bang”, vagyis az ősrobbanás után keletkezett. 2009 és 2013 között az Európai Űrügynökség (ESA) Planck műholdjával a csillagászok alaposan feltérképezték ezt a gyenge mikrohullámú háttérsugárzási mezőt és arra az eredményre jutottak, hogy a Hubble-állandó értéke pontosítva 67 km/másodperc/megaparszek. A Hubble-állandó értékéből kiindulva határozható meg az úgynevezett Hubble-idő, vagyis az univerzum kora. Ezzel kapcsolatban érdemes felidézni, hogy Edwin P. Hubble amerikai csillagász 1929-ben fedezte fel a galaxisok színképének a vörös tartomány felé való eltolódását (Doppler-effektus), vagyis azt a jelenséget, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, látszólag annál nagyobb sebességgel távolodik. 

Minél távolabbi egy galaxis, annál nagyobb a látszólagos távolodási sebessége
Fotó: NASA/JPL-Caltech

Ebből kiindulva Georges  Lemaître  belga kozmológus és elméleti fizikaprofesszor vetette fel az ősrobbanás, illetve a táguló világegyetem hipotézisét 1931-ben.  Lemaître  szerint ha a sebességi vektorokat időben visszaextrapoláljuk, kapunk egy olyan időpontot, amikor az univerzum összes anyaga egyetlen pontban egyesült, az általunk ismert világ pedig ebből a szingularitásból keletkezett az ősrobbanással. A Hubble-idő a jelenlegi ismereteink szerint 13,8 milliárd év.

Ez nem probléma, hanem sokkal inkább válság

A második „arany standard” az úgynevezett cepheida típusú változócsillagokat használja fel a Hubble-állandó meghatározásához. A cepheidák - amelyek a Cepheus csillagképben elsőként azonosított és ilyen típusú delta Cephei nevű változócsillagról kapták az osztályelnevezésüket – olyan idős, „haláluk” előtt álló csillagok, amelyeknek periodikusan pulzál a fénye. Ahogy a cepheidák fényesebbé válnak, lassabban pulzálnak, így a csillagászok megmérhetik az abszolút fényességüket. Ha ezt a fényességet a megfigyelt fényességükkel vetik össze, a csillagászok egyfajta "kozmikus távolsági létrába" tudják állítani a cepheidákat , hogy egyre mélyebbre tekintsenek az univerzum múltjában. E létra segítségével pontos értéket kaphatunk a tágulási sebességre is a cepheidák színképének vöröseltolódásából. 

Az einsteini gravitációs modellben az univerzum tágulásának lassulnia kellene
Fotó: Popper Foto/Getty Images

De ezzel kezdődött a rejtély is. Riess professzor és a munkatársai által elvégzett cepheida változók mérései szerint ugyanis az univerzum tágulási sebessége körülbelül 74 km/s/Mpc, ami a Planck műhold méréseihez képest hihetetlenül magas érték. A problémával, vagyis az univerzum eltérő ütemű tágulásával kapcsolatban David Gross, Nobel-díjas csillagász a kaliforniai Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) kutatója még egy 2019-ben megrendezett konferencián a következőket nyilatkozta: 

Ezt nem feszültségnek vagy problémának, hanem sokkal inkább válságnak nevezném. 

Kezdetben egyesek arra gondoltak, hogy az eltérés talán mérési hiba eredménye lehet, amelyet a cepheidák és más csillagok "keveredése" okozott a Hubble apertúrájában. 2023-ban azonban a kutatók a sokkal pontosabb James Webb űrteleszkóp (JWST) segítségével megerősítették, hogy a Hubble mérései helyesek voltak. 

Az ősrobbanás időbeli modelljét ábrázoló infografika
Fotó: NASA

A probléma megoldása érdekében Riess és munkatársai a korábbi méréseikre építettek, és további 1000 cepheida változócsillagot figyeltek meg öt olyan galaxisban, amelyek 130 millió fényévnyire vannak a Földtől. Miután összehasonlították adataikat a Hubble-űrtávcsővel végzett korábbi mérési eredményeikkel, megerősítették a Hubble-konstansra kapott érték helyességét. "Most már a Hubble-űrtávcsővel végzett megfigyelések teljes skáláját felöleltük, és nagyon nagy biztonsággal kizárhatjuk a mérési hibát, mint a Hubble-feszültség okait" - mondta Riess. "A Webb és a Hubble kombinálása mindkét világból a legjobbat nyújtja számunkra. Úgy találjuk, hogy a Hubble mérések megbízhatóak, miközben továbbmászunk a kozmikus távolság létráján" – nyilatkozta a Nobel-díja tudós. Másként kifejezve, a hagyományos kozmológia kereteit szétfeszítő probléma továbbra is megválaszolatlan.

Kérdésessé vált a gyorsulva tágulás kozmológiai modellje

A táguló, de véges és határtalan univerzum hipotézisét Albert Einstein az 1915-ben megalkotott és a rá következő évben publikált általános relativitáselméletében állította fel. Az einsteini elméletben a gravitáció a téridő görbültségének, vagyis az univerzum végességének a következménye. A világegyetem görbültségére a brit Sir Arthur Eddington 1919-ben, az univerzum tágulására pedig Edwin P. Hubble amerikai csillagász 1929-ben talált empirikus asztrofizikai bizonyítékot. Az univerzum tágulásának egyik következménye, hogy a fény, miközben áthalad a kozmikus téren, megnyúlik és megváltozik, nagyobbá válik a hullámhossza. Erre a jelenségre vezethető vissza az is, hogy ha a csillagászok egyre távolabbi és ezért egyre ősibb galaxisokat figyelnek meg, ezeknek a vörös felé tolódik el a színképe. 

A többször ellenőrzött megfigyelési adatok megerősítik, hogy az univerzum tágulása nem egyenletes
Fotó: NASA/JPL-Caltech

A tágulási sebességből először az őrsrobbanás elméletét felállító belga Georges Lemaître  számította ki a világegyetem keletkezésének időpontját, ami a jelenleg legpontosabbnak tekinthető mérések szerint 13,8 milliárd éve történt. Az einsteini gravitációs modell szerint a tágulási sebességnek azonban az idő múlásával lassulnia kellene, de ezzel szemben Samuel Perlmutter, Brian P. Schmidt és Adam Riess 1998-ban felfedezték, hogy az univerzum gyorsulva tágul. A gyorsuló tágulás magyarázatára vezették be az univerzumot kitöltő hipotetikus erő, a sötét energia fogalmát. 

A kozmológiai szakirodalomban a sötét energia az egész univerzumot kitöltő olyan energiaforma, amely antigravitációs hatású, vagyis negatív nyomást fejt ki. 

Albert Einstein általános relativitáselméletéből az következik, hogy a sötét energia negatív nyomása nagy távolságokon semlegesíti a gravitációs vonzást. Az elméleti számítások szerint az általunk ismert einsteini univerzum 74 %-át teszi ki a titokzatos sötét energia, 22 %-át a sötét anyag (olyan, csillagászati műszerekkel megfigyelhetetlen anyagfajta, ami semmilyen elektromágneses sugárzást nem bocsát ki), 3,6 százalékát a csillagközi gáztömeg adja ki, és csupán a fennmaradó 0,4 % alkotja a csillagok és egyéb égitestek tömegét.

A sötét energia hipotetikus létét Einstein kozmológiai állandója is előrevetítette
Fotó: TrendinTech

 Ezzel csupán egyetlen probléma adódik, hogy bármennyire is tetszetős és logikus a sötét energiára visszavezetni az univerzum gyorsuló tágulását, egyelőre empirikusan még nem sikerült bebizonyítani a létezését. Vannak, akik mindezt kétségbe is vonják, és más – ugyancsak teoretikus – okokra vezetik vissza e különös jelenség magyarázatát. Az a tény, hogy a tágulási sebesség változó, vagyis egyes térrészek gyorsabban tágulnak más térrészek sebességéhez képest, ezt az eddig konszenzusosnak tekinthető kozmológiai modellt is felborítják.