Astronomowie wiedzą, że Wszechświat się rozszerza. Aktualne tempo tej ekspansji opisywane jest stałą Hubble’a. Jej pomiar dokonywany jest różnymi metodami obserwacyjnymi. Opierają się one na tej samej fizyce, więc poszczególne sposoby pomiarów powinny dawać spójne wyniki. Jednak wyznaczenia stałej Hubble’a z danych dotyczących wczesnego Wszechświata nie zgadzają się z wyznaczeniami na podstawie obserwacji bardziej nam współczesnych czasowo fragmentów kosmosu (lokalny Wszechświat). Ta różnica wynosi mniej więcej 10 procent wartości stałej Hubble’a. Problem nazywany jest rozbieżnością Hubble’a, po angielsku „Hubble tension”. Stanowi jedną z najważniejszych obecnie zagadek kosmologii.

Do rozwiązania problemu rozbieżności Hubble’a potrzebny jest niezależny pomiar stałej Hubble’a. Zespół astrofizyków, kosmologów i fizyków z Grainger College of Engineering na University of Illinois Urbana-Champaign oraz z University of Chicago opracował nowatorską metodę obliczenia stałej Hubble’a przy pomocy fal grawitacyjnych. Proponowane rozwiązanie ma być dokładniejsze niż wcześniejsze pomysły opierające się na falach grawitacyjnych. W przyszłości, gdy techniki pomiarów fal grawitacyjnych jeszcze się poprawią, być może to rozwiązanie pozwoli wyjaśnić rozbieżność Hubble’a.

Od początków XX wieku do czasów obecnych astronomowie wypracowali różnorodne metody pomiarów stałej Hubble’a (czyli tempa ekspansji Wszechświata), które można obecnie podzielić na dwie grupy. Jedna korzysta z obserwacji na falach elektromagnetycznych, a druga z danych związanych z falami grawitacyjnymi.

Przykładem standardowego sposobu z tej pierwszej grupy jest metoda świec standardowych, korzystająca z obserwacji wybuchów supernowych, pozwalająca ustalić odległość i prędkość, z jaką się oddalają, co z kolei umożliwia obliczenie tempa ekspansji Wszechświata.

Z kolei przy wykorzystaniu fal grawitacyjnych korzysta się z ustaleń odległości, w których zachodzą zderzenia czarnych dziur. Problemem jest tutaj natomiast ustalenie prędkości, z jaką miejsce kolizji oddala się od nas w wyniki ekspansji Wszechświata. Nie da się tego zrobić bezpośrednio, a trzeba zidentyfikować światło emitowane w efekcie kolizji albo galaktykę, w której zaszło zdarzenie.

W nowej metodzie zaproponowano wykorzystanie tła fal grawitacyjnych. Pod tym terminem kryje się szum od nałożenia się wielu zdarzeń generujących fale grawitacyjne (prawdopodobnie głównie od zderzeń supermasywnych czarnych dziur). Szum ten przenika cały Wszechświat. Istnienie tła fal grawitacyjnych potwierdzono przy pomocy obserwacji pulsarów, natomiast detektory fal grawitacyjnych na razie go nie wykrywają.

Przy propozycji nowej metody wykazano, że przy niższych wartościach stałej Hubble’a łączna objętość przestrzeni, w której zachodzą kolizje generujące fale grawitacyjne, jest mniejsza. W efekcie gęstość kolizji powinna być większa. Tym samym poziom sygnału tła fal grawitacyjnych powinien być większy. Więc brak detekcji takiego tła będzie sugerował niższe wartości stałej Hubble’a. Ten sposób nazwano metodą stochastycznych syren, wskazując, że kolizje zachodzą losowo (stochastycznie).

Badacze zastosowali wspomnianą metodę do danych obserwacyjnych zebranych przez LiGO-Virgo-KAGRA Collaboration, czyli główną światową grupę naukowców zajmujących się wykrywaniem fal grawitacyjnych przy pomocy najczulszych dostępnych detektorów. Wskazano, iż brak wykrycia tła fal grawitacyjnych przez te detektory jest dowodem przeciwko powolnemu tempu ekspansji Wszechświata.

Pokazano też, że użycie wspólnie metody tła fal grawitacyjnych oraz metody pomiarów indywidualnych kolizji czarnych dziur daje dokładniejsze wyniki niż stosowanie wyłącznie tego drugiego sposobu.

Czułość detektorów fal grawitacyjnych będzie rosła. Naukowcy spodziewają się, że w ciągu najbliższych sześciu lat uda się wykryć przy ich pomocy tło fal grawitacyjnych. Wtedy nową metodę będzie można w pełni zastosować. Zanim detekcja nastąpi, będzie z kolei stopniowo rosła dolna granica pomiaru stałej Hubble’a tą techniką (w miarę wzrostu czułości detektorów, przy braku detekcji tła fal grawitacyjnych).

Proponowane obecnie hipotezy rozwiązania problemu rozbieżności Hubble’a obejmują zmianę teorii opisujących podział energii we wczesnym Wszechświecie. Być może rolę odgrywa tu ciemna energia, która powoduje przyspieszanie tempa ekspansji Wszechświata, albo jakieś interakcje ciemnej materii z neutrinami, albo może dynamika ciemnej energii ewoluowała w trakcie historii Wszechświata.

Artykuł przedstawiający koncepcję określenia stałej Hubble’a przy pomocy tła fal grawitacyjnych został przyjęty do druku w „Physical Review Letters”. Pierwszym autorem tekstu jest Bryce Cousins z University of Illinois Urbana-Champaign. (PAP)

cza/ agt/