18. novembra 2019
Veľká kríza kozmológie 1

Veľká kríza kozmológie

Kozmológia skúma vesmír ako celok. Ako vznikol a ako skončí? Je nekonečne veľký? Ako rýchlo sa rozpína? Toto všetko sú otázky, ktorými sa kozmológia zaoberá – a práve posledná z nich dáva posledné roky prekvapivé odpovede.

Ľudia radi skúmajú zmysel svojej existencie. Pri dumaní nad otázkou, že o čom to tu celé vlastne je, prináša odpoveď často práve vesmír. Napríklad sme sa, k všeobecnému pobúrenie, dozvedeli, že nie sme jeho stredom. Kopernik nás presvedčil, že Zem obieha Slnko a nie naopak. O storočia neskôr Hubble dokázal, že naša galaxia, Mliečna cesta, nepredstavuje celý vesmír – je len jednou z mnohých ďalších galaxií.

Pre mnohých najfascinujúcejšie zistenie kozmológie priniesol Lemaître – vesmír, aspoň taký, ako ho poznáme, tu nebol vždy. Podľa aktuálnych odhadov má 13.8 miliardy rokov.

Nie je to málo, ale na vesmírne pomery ani veľmi veľa – životný cyklus hviezd trvá niekoľko miliárd rokov, čiže porovnateľne dlho.

Kozmológia sa z veľkej časti točí okolo rozpínania vesmíru. Rozpínanie si ľudia nesprávne predstavujú ako vzďaľovanie ostatných galaxií (od nás). Presnejší pohľad však je, že my stojíme, oni stoja – a medzi nami pribúda priestor.

(V skutočnosti sa galaxie ako také hýbu tiež. Výsledný pohyb (vzhľadom na nás) je súčtom ich reálneho pohybu a vzďaľovania vplyvom rozpínania vesmíru. Preto sa k nám niektoré blízke galaxie, ako napríklad Andromeda, približujú.)

Rozpínanie vesmíru sa určuje takto. Pozrieme sa na vzdialenú hviezdu (alebo galaxiu či supernovu), spočítame ako dlho z nej letelo svetlo a o koľko sa za tento čas vesmír roztiahol. Keď spravíme dosť veľa nezávislých pozorovaní, vieme presne zrekonštruovať ako sa vesmír počas tých svojich 14 miliárd rokov rozťahoval.

Tipnite si, čo z toho je ťažšie: určiť, ako dlho k nám letelo svetlo z hviezdy, alebo o koľko sa za ten čas vesmír roztiahol?

Svetlo, ktoré prejde plynom, v sebe nesie otlačky jeho chemického zloženia – tzv. spektrálne čiary. Keď sa rozťahuje vesmír, rozťahuje sa aj svetlo v ňom a tým pádom aj čiarový kód, ktorý si nesie. Napríklad hviezdy vždy obsahujú vodík. Keď príde svetlo z ďalekej galaxie, nájdeme v ňom ‘čiarový kód’ vodíka, porovnáme so vzorkou v laboratóriu a voilà, vieme, o koľko sa roztiahlo počas letu (svetlo a teda aj vesmír).

S určovaním vzdialenosti je to zložitejšie. Predstavte si, že ste v úplnej tme a zrazu uvidíte slabú svetelnú bodku. Je to malá baterka kúsok od vás, alebo silné svetlo majáku kilometre ďaleko? Slabý zdroj blízko vyzerá rovnako ako silný zdroj ďaleko.

Podobný problém je pri pohľade na hviezdy – slabá hviezda blízko a silná hviezda ďaleko vyzerajú rovnako. Ako teda dokážeme určiť ich vzdialenosť?

Vo vesmíre existujú objekty, ktoré svoju svietivosť nepriamo prezrádzajú. Typickým príkladom sú hviezdy cefeidy, ktorých blikanie súvisí s intenzitou, ktorou žiaria, alebo supernovy, ktoré vznikajú veľmi špeciálnym spôsobom. To však ešte nestačí.

Predstavte si, ináč podľa mňa skvelý, školský projekt – zmerať pomocou pravítka výšku školskej budovy. Ako na to? Riešení je veľa.

Napríklad môžem pomocou pravítka zmerať dĺžku metly, pomocou metly dĺžku tieňu, ktorý škola vrhá a ten porovnať s dĺžkou tieňa, ktorý vrhá pravítko. Výsledok tak pozostáva z viacerých meraní, z ktorých každé vnáša do výsledky istú chybu – no ináč je to super spôsob, ako prekonať obmedzenia dostupných nástrojov.

Astrofyzici postupujú podobne. Vieme zmerať vzdialenosť Slnka a paralaxovou metódu blízke hviezdy (a Cefeidy), pomocou nich vieme zmerať vzdialené galaxie a pomocou nich určiť vzdialenosť supernov. Ich jas poznáme a tak vieme určiť súvis so vzdialenosťou. Ten potom využijeme v opačnom garde, zmeriame jas neznámej supernovy a z neho určíme, že ako ďaleko sa nachádza.

Takýto postup sa volá kozmologický rebrík – pomocou bližších objektov kalibrujeme vzdialenosti vzdialenejších – pekne krok po kroku, až (takmer) na kraj (viditeľného) vesmíru.

Samozrejme, realita je zložitá. Napríklad, hviezda môže svietiť slabo aj keď je blízko, no medzi nami je prach, ktorý ju tieni. Astrofyzici tak trávia dlhé roky testovaním a porovnávaním rôznych metód, odhadovaniu rušivých vplyvov a podobne.

Kľúčový parameter kozmológie je tzv. Hubblov parameter. Jeho jednotky sú kilometer za sekundu na megaparsek. Megaparsek je jednotka vzdialenosti, zhruba tri milióny svetelných rokov. Ak by mal Hubblov parameter hodnotu 1 (km/s/Mpc), tak to znamená, že galaxia od nás vzdialená jeden megaparsek sa vplyvom rozpínania vesmíru vzďaľuje rýchlosťou 1 kilometer za sekundu.

Tento parameter súvisí s rozpínaním vesmíru, jeho zložením a všeličím ďalším. Pred takmer 20 rokmi sa jeho hodnota odhadovala na 72, plus mínus 8. Pomerne veľká chyba, ale ako som spomínal, jej určenie pozostáva z viacerých medzikrokov, z ktorých je každý zaťažený svojou nepresnosťou.

S časom pribúdali ďalšie metódy, ako rozpínanie vesmíru určiť – napríklad skúmaním reliktového žiarenia, ktoré vzniklo (takmer) na počiatku vesmíru, z gravitačných vĺn alebo baryónových vibrácií (vibrácie hmoty vo vesmíre tesne po jeho vzniku zanechali stopy v rozložení galaxií). Mnohé z nich sú úplne unikátne a nesúvisia s ostatnými meraniami, napríklad meranie (gravitačne) šošovkovaného svetla kvazarov je úplne nezávislí od kozmologického rebríka – a tak sa navzájom kontrolujú.

Očakávalo sa, že sa hodnota 72 ± 8 pridávaním ďalších a presnejších meraní ustáli, napríklad na 67 ± 1 alebo 73 ± 1 (km/s/Mpc).

Problém je, že z týchto dvoch možností sa stali obe. Časť výsledkov dospela k prvej hodnote a časť k druhej.

Ktorá hodnota je správna? Netušíme! A to je zaujímavé. Znamená to, že buď zle rozumieme správaniu niečoho vo vesmíre, alebo, že sa niečo zvláštne stalo s rozpínaním vesmíru.

Kým astrofyzika sa teší na svoj veľký triumf, kozmológia sa ocitla v kríze – nevie presne určiť svoj základný parameter. Je možné, že problém vysvetlí relatívne malá oprava, no je aj možné, že nás čakajú pomerne hlboké zásahy a zmeny v našich predstavách o fungovaní vesmíru. Isté je len jedno – kozmológiu čakajú veľmi zaujímavé časy!

[Samuel]

https://www.quantamagazine.org/cosmologists-debate-how-fast-the-universe-is-expanding-20190808/

https://www.sciencealert.com/new-hubble-data-breaks-our-understanding-of-the-universe

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mystery-of-the-universe-s-expansion-rate-widens-with-new-hubble-data

https://phys.org/news/2019-01-astronomers-images-quasars-hubble-constant.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_distance_ladder

Obr: Cefeid premenná hviezda RS Puppis, Hubblov teleskop

Pridaj komentár