Hubbleův dalekohled. Na co se zrovna „dívá“ se můžete podívat zde. (Kredit: STScI).

Před dvěma lety, 25. prosince 2021, z Evropského kosmodromu v jihoamerické Francouzské Guayaně se do vesmíru vznesla nosná raketa Ariane 5 s unikátním nákladem – Vesmírným dalekohledem Jamese Webba (zkratka JWST). Jeho sofistikované, extrémně citlivé přístroje snímající a analyzující infračervené záření umožňují s vysokým rozlišením pozorovat objekty příliš slabé, staré či vzdálené pro kamery ikonického Hubbleova vesmírného dalekohledu. Webbův teleskop putuje kolem Slunce synchronně se Zemí, obíhajíc přitom Lagrangeův bod L2. Tento rovnovážný (librační) bod leží na spojnici Slunce - Země ve vzdálenosti asi 1,5 milionu kilometrů za naší planetou (více o poloze JWST: video i s vysvětlením, stránka NASA). Data, která JWST poskytuje již rok a půl, vyvolávají u astronomů nadšení, jsou zdrojem významných objevů, podkladem pro řadu zajímavých studií. O některých informoval i OSEL (zde nebo zde).

Dalekohled Jamese Webba při pohledu z jeho levé strany. I když JWST obíhá Slunce ve stínu Země, je jeho primární zrcadlo chráněno vícevrstevní solární clonou. Kredit: Northrop Grumman, NASA, ESA, CSA. Volné dílo.

Je zde ale jistý problém, který JWST nejen nepomáhá řešit, nýbrž opak je pravdou a analýzy jeho dat ho ještě prohloubily. Někdy je označován jako „Hubbleův rozpor“ (Hubble tension). Týká se rychlosti, kterou se vesmír rozpíná. Míru této expanze charakterizuje Hubbleova (Hubble-Lemaîtrova) konstanta, což je koeficient úměrnosti mezi rychlostí vzdalování objektu vlivem rozpínání prostoru a  vzdáleností tohoto objektu. Pro lepší pochopení – jde o hodnotu, o kterou by narostla rychlost vzdalování extragalaktického, tedy Mléčnou dráhou gravitačně neovlivňovaného objektu (například jiné vzdálené galaxie), kdyby byl o jeden megaparsek, tedy něco přes tři miliony světelných let dál. Samozřejmě nejde o vlastní pohyb objektu, ale pouze o rychlost, kterou je unášen od pozorovatele samotnou expanzí mezigalaktického prostoru. Vzpomeňme na notoricky známý příklad rozinek roztroušených v rovnoměrně kynoucím těstě.

Americký astrofyzik, prof. Adam Guy Riess, laureát Nobelovy ceny za fyziku za rok 2011 patří mezi ty, kteří odhalili, že expanze vesmíru se zrychluje. Kredit: Holger Motzkau, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Hubbleova konstanta je konstantní jen v daném čase, v průběhu vývoje vesmíru se její hodnota mění, protože jak se ukázalo, vesmír se rozpíná stále rychleji. I pro astronomy překvapivý poznatek si vyžádal zavedení temné energie a v roce 2011 byl po zásluze odměněn Nobelovou cenou za fyziku.

K měření Hubbleovy konstanty donedávna vedly dvě navzájem nezávislé cesty – studium jasných těles v jiných galaxiích, u nichž lze určit jejich vzdálenost a zároveň pomocí červeného posuvu v spektru jejich elektromagnetického záření i rychlost vzdalování. Takovými objekty jsou například cefeidy – speciální skupina hvězd s pulzující svítivostí, nebo supernovy typu Ia.

Druhou cestou je měření a analýza reliktního záření (= kosmického mikrovlnného pozadí), což je první světlo, které prozářilo raný vesmír a v průběhu 13,8 miliard let trvající expanze ochladlo na dnešní teplotu 2,73 K. Teoreticky by měly oba přístupy vést k přibližně stejné hodnotě Hubbleovy konstanty.

Měly, ale nevedou. Zatímco měření kosmického mikrovlnného pozadí evropskou kosmickou observatoří Planck poskytují hodnotu 67,4 kilometrů za sekundu na megaparsek (km.s^-1/Mpc), údaje získané pomocí supernov a cefeid nabízejí rychlejší tempo expanze s koeficientem úměrnosti přibližně 73 km.s^-1/Mpc. Tato diskrepance – Hubbleův rozpor – vnáší do našich představ o vývoji vesmíru a s ním spjaté fyziky znepokojivé nejistoty.

"Existovala naděje, že tento rozpor jednoduše zmizí, že jde možná jen o chybu měření," vysvětluje Adam Riess, astrofyzik ze Space Telescope Science Institute v Baltimoru, jeden z trojice laureátů zmíněné Nobelovy ceny za fyziku za rok 2011. Riessův tým si z nových, velice přesných měření Webbova dalekohledu vybral údaje o více než 320 cefeid zářících ve dvou galaxiích – v galaxii NGC 4258 vzdálené přibližně 23 milionů světelných let a v galaxii NGC 5584 vzdálené asi 100 milionů světelných let.

Gravitace bílého trpaslíka, extrémně hustého pozůstatku hvězdy, která již nemůže spalovat jaderné palivo ve svém jádře, stahuje materiál z blízkého hvězdného průvodce. Když bílý trpaslík dosáhne asi 1,4násobku hmotnosti Slunce, exploduje jako supernova typu Ia. Kredit: NASA/JPL-Caltech.

Přesto, že Webbův teleskop poskytuje až trojnásobně přesnější údaje než starý dobrý Hubbleův vesmírný dalekohled, nové analýzy se do velké míry shodují s těmi původními. Martin Riess přiznal, že "V určitém okamžiku je třeba říci, že se nejedná o chybu měření, a pokud ano, říká to o vesmíru něco velmi zajímavého. Jde o čím dál, tím větší záhadu, nicméně zajímavou.“

Pokud jsou obě hodnoty správné a Hubbleův rozpor je způsoben něčím zásadnějším než nepřesností, pak astronomům chybí nějaká důležitá informace o tom, jak náš vesmír v průběhu své existence expandoval. Údaje z blízkých supernov a cefeid svědčí o rychlejším rozpínání, než naznačují analýzy kosmického mikrovlnného pozadí pro vzdálenější oblasti kosmu. Tento rozdíl je příliš velký na to, aby ho bylo možné vysvětlit pomocí temné energie - té nejpodstatnější složky vesmíru, jež má na svědomí zrychlování expanze.

Někteří astronomové v tom vidí rozpor mezi dnes již velmi přesným pozorováním a převládajícím standardním kosmologickým modelem vesmíru označovaném jako ΛCDM model, kde lambda je kosmologická konstanta spjatá s temnou energií, CDM je zkratka pro studenou temnou hmotu. Třetím pilířem standardního modelu jsou detekovatelné známé formy hmoty a energie.

Současná mapa reliktního záření, jež prozářilo vesmír asi 380 000 let po Big Bangu. Dnes je průměrná teplota záření kosmického pozadí ca 2,73 K. Barvami zvýrazněné teplotní fluktuace představují rozdíly ± 200 mikroKelvinů. Kredit: NASA / WMAP Science Team, volné dílo.

Jedna z možných příčin Hubbleova rozporu by se prý mohla ukrývat v teorii gravitace – v obecné teorii relativity, o kterou se opírá hodnota Hubbleovy konstanty odvozená z reliktního záření. Případně v počátcích vesmíru mohla působit doposud neznámá forma temné energie, nebo se její povaha mohla v průběhu času měnit. Jak poznamenává Riess, „existuje mnoho nápadů a všechny mají svá pro i proti. No žádný z nich zatím nesedne jako ztracený střevíček na Popelčinu nožku“.

Třetí možnost výpočtu Hubbleovy konstanty skýtají gravitační vlny. Od jejich prvního přímého zaznamenání uplynulo již sedm let. Událost označenou jako GW150914 vyvolalo splynutí dvou vzájemně se obíhajících černých děr. Od září 2015 se podařilo zachytit bezmála 90 rozvlnění časoprostoru, ne každé je stejně vhodné k určení rychlosti vesmírné expanze. Podmínkou je detekce gravitačních vln způsobených srážkou velmi hmotných těles viditelných v nějaké oblasti spektra, například neutronových hvězd. V takovém případě lze provádět jak měření elektromagnetického záření a určit jeho červený posuv, tak analyzovat přicházející gravitační vlny, které odhalí, jak velká tělesa se srazila a kolik energie se přitom uvolnilo. Z útlumu vln, které doputují k Zemi, lze odvodit vzdálenost příslušné kosmické havárie. Výpočet Hubbleovy konstanty z rychlosti vzdalování a vzdálenosti je pak třešničkou na dortu sofistikovaných měření a náročných analýz. Tato "metoda standardních sirén" vedla k předběžné hodnoté 70 km.s^-1/Mpc. Leží uprostřed výsledků obou starších přístupů - mezi hodnotou přibližně 73 km.s^-1/Mpc, jež poskytly supernovy a hodnotou 67 km.s^-1/Mpc stanovenou analýzou kosmického mikrovlnného pozadí.

Počet zaznamenaných gravitačních vzruchů šířících se od srážek vzdálených dvojic neutronových hvězd přibývá. Detektory gravitačních vln procházejí výraznou modernizací, měření bude stále citlivější a přesnější. Možná právě metoda standardních sirén pomůže zodpovědět důležitou otázku, která hodnota Hubbleovy konstanty nejlépe popisuje současné rozpínání celého kosmického prostoru - toho blízkého i toho vzdáleného. Zcela odlišnou možností je hledání vysvětlení pomocí jiného fyzikálního aparátu, protože v našem modelu vesmíru je něco chybného. Může být takovým řešením modifikovaná newtonovská dynamika (MOND)? O tom bude jeden z nejbližších článků.

Video: O měření Hubblovy konstanty pomocí gravitačních vln

Zdroje

National Geographic

University of Chicago News