Astronomowie od dziesięcioleci zakładają, że Wszechświat rozszerza się w tym samym tempie we wszystkich kierunkach. Nowe badania oparte na danych z satelity XAM-Newton, Teleskopu Kosmicznego Chandra i obserwatorium rentgenowskiego ROSAT sugerują, że ta kluczowa przesłanka kosmologii może być błędna.
Astronomowie wykorzystujący dane z orbitujących obserwatoriów badali setki gromad galaktyk – największych struktur we Wszechświecie utrzymywanych razem przez grawitację – oraz różnic między ich widocznymi właściwościami. Podczas analiz dostrzegli, że ekspansja Wszechświata może nie być taka sama we wszystkich kierunkach, co podważa zasadę izotropowości przestrzeni.
Zasada ta mówi, że materia na niebie jest rozłożona izotropowo, czyli w każdym kierunku obserwator widzi taką samą ilość materii. Zgodnie z tym założeniem, Wszechświat, pomimo pewnych lokalnych różnic, ma te same właściwości, w jakimkolwiek kierunku by nie spojrzeć.
– Jednym z filarów kosmologii jest to, że Wszechświat jest izotropowy, co oznacza, że jest taki sam niezależnie od kierunku, w którym patrzy obserwator – powiedział Konstantinos Migkas z Uniwersytetu w Bonn, jeden z autorów badań, które ukazały się na łamach pisma „Astronomy & Astrophysics”. – Nasze prace pokazują, że w tym filarze mogą być pęknięcia – dodał.
Zasada izotropowości
Powszechnie akceptowana koncepcja izotropowości została poparta obserwacjami mikrofalowego promieniowania tła (CMB – cosmic microwave background ). CMB, będące pozostałością po Wielkim Wybuchu, odzwierciedla stan Wszechświata w jego początkowym stadium, w wieku zaledwie 380 tys. lat. Jednolity rozkład CMB sugeruje, że we wczesnych dniach Wszechświat musiał się szybko rozszerzać w tym samym tempie i we wszystkich kierunkach. Jednak ten stan rzeczy mógł ulec zmianie.
Astronomowie ogólnie zgadzają się, że po Wielkim Wybuchu Wszechświat stale się rozszerza. Można tutaj zastosować analogię do bochenka chleba z rodzynkami. Podczas pieczenia chleba rodzynki (które reprezentują kosmiczne obiekty, takie jak galaktyki i gromady galaktyk) oddalają się od siebie, gdy cały bochenek (reprezentujący przestrzeń) rozszerza się. Przy równomiernej mieszance ekspansja powinna być równomierna we wszystkich kierunkach, podobnie jak w przypadku zasady izotropowości. Ale wyniki tych badań nie pasują do tego obrazu.
– Wspólnie z kolegami z Uniwersytetu w Bonn i Uniwersytetu Harvarda przyjrzeliśmy się zachowaniu ponad 800 gromad galaktyk we współczesnym Wszechświecie. Gdyby zasada izotropowości była prawidłowa, właściwości gromad galaktyk byłyby jednolite. Ale w naszych obserwacjach zauważyliśmy znaczne różnice – przyznał Migkas.
Nierównomierna ekspansja Wszechświata
Już niektóre z wcześniejszych badań sugerowały, że Wszechświat nie podlega zasadzie izotropowości. Inne z kolei wskazywały, że podlega. W nowych badaniach naukowcy wykorzystali nowatorską technikę wykorzystującą zależności między temperaturą gorącego gazu przenikającego gromady galaktyk, a ilością wytwarzanego przez nie promieniowania rentgenowskiego. Im wyższa temperatura gazu w gromadzie, tym wyższa jest jasność promieniowania rentgenowskiego. Po zmierzeniu temperatury gazu w gromadzie galaktyk można oszacować jasność promieniowania rentgenowskiego. Ta metoda jest niezależna od wielkości kosmologicznych, w tym prędkości ekspansji Wszechświata.
Astronomowie wykorzystali rentgenowskie pomiary temperatury gorącego gazu i porównali te dane z jasnością gromad na niebie. Gromady o tej samej temperaturze i umieszczone w podobnej odległości od nas powinny być podobnie jasne. Ale tak nie jest. Wyniki dały naukowcom pozorne prędkości ekspansji na całym niebie ujawniając, że Wszechświat w niektórych kierunkach wydaje się oddalać od nas szybciej niż w innych.
– Dostrzegliśmy gromady o tych samych właściwościach i podobnych temperaturach, które wydają się być mniej jasne niż można by się spodziewać w jednym kierunku nieba i jaśniejsze niż oczekiwano w innym kierunku. Różnica była dość znacząca, bo około 30 procent. Rozbieżności te nie są przypadkowe i mają wyraźny wzór, który zależy od kierunku, obserwacji – zaznaczył Thomas Reiprich z Uniwersytetu w Bonn, współautor publikacji.
Możliwe wyjaśnienia
Przed podważeniem powszechnie akceptowanego modelu kosmologii Konstantinos i koledzy najpierw przeanalizowali inne możliwe wyjaśnienia. Być może niewykryte chmury gazu lub pyłu zasłaniały widok i powodowały, że gromady galaktyk w określonym obszarze wydawały się ciemniejsze. Ale dane z tych oraz z wcześniejszych, podobnych badań, nie wspierają tego scenariusza.
Autorzy badań przedstawili dwa możliwe wyjaśnienia uzyskanych przez siebie wyników. Jednym z nich jest to, że duże grupy gromad galaktyk mogą poruszać się razem, ale nie z powodu kosmicznej ekspansji. Możliwe jest, że niektóre pobliskie gromady są przyciągane w tym samym kierunku przez grawitację innych, dużo masywniejszych struktur. Jeśli ruch jest wystarczająco szybki, może to prowadzić do błędów w szacowaniu jasności gromad.
Tego rodzaju skorelowane ruchy dawałyby wrażenie różnych szybkości ekspansji w różnych kierunkach. Astronomowie zaobserwowali podobne efekty ze stosunkowo bliskimi galaktykami, w odległościach mniejszych niż 850 milionów lat świetlnych, gdzie wiadomo, że wzajemne przyciąganie grawitacyjne kontroluje ruch obiektów. Jednak badacze spodziewali się, że ekspansja Wszechświata zdominuje ruch gromad na większych odległościach, rzędu miliardów lat świetlnych.
Ciemna energia
Drugim możliwym wyjaśnieniem jest potencjalnie nierównomierny wpływ na ekspansję Wszechświata spowodowany przez ciemną energię – hipotetyczną formę energii, która może stanowić nawet 69 proc. jego całkowitej energii. Obecnie niewiele wiadomo na temat ciemnej energii, poza tym, że wydaje się, że przyspieszyła ona ekspansję Wszechświata w ciągu ostatnich kilku miliardów lat i sama w sobie nie jest jednolita. Innymi słowy, ciemna energia może być silniejsza w niektórych częściach Wszechświata niż w innych, powodując różne szybkości ekspansji.
Reiprich odwołał się tu znów do analogii z bochenkiem i rodzynkami. – To tak, jakby drożdże w chlebie nie były równomiernie wymieszane, co powoduje, że w niektórych miejscach chleb rośnie szybciej niż w innych – powiedział Reiprich. – Byłoby niezwykłe, gdyby odkryto, że ciemna energia ma różne moce w różnych częściach Wszechświata. Jednak potrzeba byłoby znacznie więcej dowodów, aby wykluczyć inne wyjaśnienia i przedstawić przekonujący argument – zaznaczył.
– Jeśli Wszechświat jest naprawdę anizotropowy (przeciwieństwo izotropowości, zależność od kierunku), nawet jeśli stał się taki tylko w ciągu ostatnich kilku miliardów lat, oznaczałoby to ogromną zmianę paradygmatu, ponieważ kierunek każdego obiektu musiałby być brany pod uwagę podczas analizy jego właściwości. Obecnie szacujemy odległość obiektów we Wszechświecie stosując zestaw parametrów kosmologicznych i równań. Uważamy, że parametry te są wszędzie takie same. Ale jeśli nasze wnioski są słuszne, to tak nie jest i trzeba by przejrzeć wszystkie nasze dotychczasowe wnioski – wyjaśnił Migkas.
– To niezwykle fascynujący wynik – ocenił Norbert Schartel, badacz z projektu XMM-Newton w Europejskiej Agencji Kosmicznej. – Poprzednie badania sugerowały, że obecny Wszechświat może nie rozszerzać się równomiernie we wszystkich kierunkach, ale ten wynik – po raz pierwszy taki test został przeprowadzony z gromadami galaktyk w promieniach rentgenowskich – ma znacznie większe znaczenie, a także ujawnia wielkie potencjał przyszłych badań – zaznaczył.
Zagadka do rozwiązania
Przy rozwiązaniu tej zagadki może pomóc Kosmiczny Teleskop Euclid, którego wyniesienie w przestrzeń kosmiczną ESA zaplanowała na połowę 2022 roku. Euclid został zaprojektowany do obrazowania miliardów galaktyk i badania ekspansji kosmosu, jego przyspieszenia oraz natury ciemnej energii. – Odkrycia te są naprawdę interesujące, ale próbka tego badania jest wciąż stosunkowo niewielka, aby wyciągnąć tak głębokie wnioski – podkreślił René Laureijs zaangażowany w projekt Euclid w ESA. – To najlepsze, co można zrobić z dostępnymi danymi, ale jeśli mamy ponownie przemyśleć powszechnie przyjęty model kosmologiczny, potrzeba więcej danych – dodał.
Uczeni liczą, że teleskop Euclid mógłby pomóc nie tylko znaleźć dowody na to, że ciemna energia naprawdę wpływa na nierównomierne rozszerzanie się Wszechświata w różnych kierunkach, mógłby umożliwić także zebranie większej ilości danych na temat właściwości dużej liczby gromad galaktyk, co może wesprzeć lub obalić obecne ustalenia.
Źródło: ESA, NASA, fot. ESA/XMM-Newton (X-rays); CFHT-LS (optical); XXL Survey
