A csillagászok először figyelték meg, hogy az idő mennyire lassan telt a korai kozmoszban, ami alátámasztja Albert Einstein egy évszázada tett megállapításait az univerzum tágulásának bizarr hatásairól. A galaxisok kavargó, fénylő anyagának viselkedését követve, két kutató úgy találta, hogy amikor a világegyetem mindössze egymilliárd éves volt (vagyis a jelenlegi korának kevesebb mint tizedével rendelkezett), az események a ma megszokottnál ötször lassabban zajlottak. A szakértők eredményeiket július elején publikálták a Nature Astronomy című folyóiratban.

Nyúlós idők

Isaac Newton egy olyan világegyetem képét tárta elénk, ahol a tér és az idő rögzített, és az egész univerzumban minden óra pontosan ugyanolyan ütemben ketyeg, mondja Geraint Lewis, a Sydney-i Egyetem asztrofizikusa, a tanulmány vezető szerzője. Aztán Einstein szétzúzta ezt a víziót azzal, hogy azt állította, hogy az idő valójában „nyúlékony” és relatív. „Most megmutattuk, hogy Einsteinnek ismét igaza volt” – folytatja a szakértő.

Az égen látható galaxisok nagy sebességgel távolodtak el a Tejútrendszertől, és minél távolabb voltak, annál gyorsabban nő a távolságuk. Ez nemcsak azt jelentette, hogy a világegyetem egykor sokkal kisebb és sűrűbb volt – és így valószínűleg egy robbanás során keletkezhetett valamilyen kompakt, őseredeti pontból –, hanem azt is, hogy a legtávolabbi, számunkra látható galaxisoknak közel fénysebességgel kell távolodniuk tőlünk.

Einstein speciális és általános relativitáselmélete szerint mindkét körülmény megváltoztatja az idő folyását. Ahogy a távoli galaxisokból érkező fény távolodik a mély, sűrű korai kozmosz gravitációs szorításától, a folyamatosan táguló világegyetemben haladva egyre nagyobb tereket kell bejárnia, hogy elérje a Földet. Ennek következtében az idő megnyúlik, ez az idődilatáció néven ismert jelenség, vagyis míg egy 10 milliárd évvel ezelőtt működő óra az akkori megfigyelő számára normális ütemben ketyegne, de egy mai szemszögből nézve sokkal lassabban járna a megszokottnál.

A csillagászok már korábban is igazolták ennek a „lassított” kozmosznak a létezését, körülbelül a világegyetem 13,8 milliárd éves történetének felénél. Hat-hétmilliárd évvel ezelőtti, szupernóváknak nevezett hatalmas csillagrobbanások fényét vizsgálták, kimutatva, hogy az idő jelentősen lassabban telt ezek felrobbanásakor. Az ilyen szupernóvák azonban túl halványak ahhoz, hogy a korábbi kozmikus korszakok vizsgálatához szükséges hatalmas távolságokból megfigyelhessük őket.

Ketyegő kvazárok

Lewis és Brendon Brewer asztrostatisztikus ezért még nagyobb és fényesebb objektumokat, úgynevezett kvazárokat kezdtek vizsgálni. Ezek a fényes csillagászati objektumok távoli galaxisok középpontjában lévő, gázzal aktívan táplálkozó, szupernehéz fekete lyukak. Ahogy gáz felhalmozódik és spirálisan körbe-körbe áramlik, miközben közel fénysebességgel halad a táplálkozó fekete lyuk felé, ahol több billió Fahrenheit-fokos hőmérsékletre melegszik fel, és izzó fényt bocsát ki, amely az egész kozmoszból látható.

Ez a ragyogás ugyanakkor nem állandó. A fekete lyukak kaotikusak és szeszélyesek, ráadásul és a billió fokos gáz sem egységes: a simára kevert turmix helyett inkább a darabos mogyoróvajhoz hasonlítható. Bár ez a változékonyság megkönnyíti a kvazárok azonosítását, megnehezíti a kozmikus idő sztenderd mérésére való felhasználásukat.

Ez lehet az oka, hogy a korábbi hasonló vizsgálatok során nem találtak idődilatációs hatást a tőlünk nagyon távoli és a viszonylag közeli kvazárok között.

Ezen a korai eredmények alapján néhány kozmológus meg is kérdőjelezte, hogy a kvazárok változékonysága megfelel a világegyetemről alkotott meglévő modelljeinknek. Még az is felmerült, hogy a régóta vallott, alapvető elképzelés, miszerint az univerzum tágul, téves lehet, mondja Lewis. Szerinte azonban inkább az lehetett a probléma, hogy a korábbi vizsgálatok során kis mintákat használtak, vagy túl rövid ideig figyeltek meg kvazárokat.

Átfogó, meggyőző vizsgálat

Lewis és Brewer ezzel szemben egy új és nagyon átfogó adathalmazt használt: összesen 190 kvazárt vizsgáltak, amelyek a kozmosz történetének körülbelül 2,5 milliárd és 12 milliárd évvel ezelőtti időszakát fedve le. Minden egyes kvazár villódzását több százszor figyelték meg több hullámhosszon, egy két évtizedes időszakon keresztül.

A duó a kvazárokat saját fényességük szerint is csoportosította. „A fényes kvazárokat fényes kvazárokkal, a halvány kvazárokat pedig halvány kvazárokkal vetettük össze” – mondja Lewis. Ez a megközelítés minimálisra csökkentette annak esélyét, hogy a nagyon különböző kvazártípusokat egymással hasonlítsák össze, és lehetővé tette a kutatók számára, hogy kalibrálják az egyes kvazárok „ketyegését”. Így nagyobb biztonsággal tudták kimutatni, hogy a fényingadozásokban megfigyelt eltérések egy részét az idődilatáció okozta.

A távoli galaxisokban talált kvazárok lassabban ketyegtek, mint a későbbi, közeli univerzumban született kvazárok: az idődilatáció miatt a legtávolabbi objektumok a sztenderd sebesség ötödével ketyegnek.

Katie Mack asztrofizikus, az ontariói Perimeter Elméleti Fizikai Intézet kutatója szerint ezek az eredmények tisztáznak a kvazárok viselkedésével kapcsolatos számos bizonytalanságot. A kutatás meggyőzően mutatja meg, hogy a kvazárok megfelelnek a konszenzusos elvárásoknak – és megerősíti, hogy a csillagászoknak figyelembe kell venniük az idődilatációt, amikor a korai univerzumot tanulmányozzák. „Ez az első alkalom, hogy az idődilatáció hatását egyértelműen sikerült megfigyelni a kvazárok esetében, és megnyugtató tudni, hogy semmi bizarr nem történik ott” – mondja Mack.

***

Michael Hawkins, az Edinburghi Egyetem Csillagászati Intézetének kutatója szerint a vizsgálat fontos emlékeztetőül szolgálhat a szakértők számára, hogy ne legyenek elégedettek a bevett kozmológiai modellekkel, hozzátéve, hogy Einstein általános relativitáselmélete évszázadok tudományát forgatta fel, amikor bevezetésre került. Hawkins korábban maga is végzett olyan kutatásokat, amelyek során nem sikerült kimutatni az idődilatációt a kvazárok kapcsán, ami szerinte kiemeli a területen folyó folyamatos vizsgálatok és finomítások jelentőségét.

– mondja. Következő lépésként azt szeretné, ha a jövőbeli vizsgálatok során megismételnék az elemzést a kozmikus múltban még távolabb található galaxisokból származó kvazárok még nagyobb mintájával.

Lewis számára a munka több, mint Einstein és a modern kozmológia puszta igazolása. Az ősi kvazárok pontos időmeghatározása hasznosnak bizonyulhat a sötét energia természetének további feltárásában is, elvégre ez a világegyetem tágulásának meglepő gyorsulásáért felelősnek tartott titokzatos erő. „Modelljeink sztenderdizálása és megerősítése végső soron egy lépés a következő generációs kutatások felé. A cél most az, hogy a lehető legrészletesebben feltérképezzük az univerzum tágulását” – mondja a kutató.