A legújabb, minden eddiginél pontosabb mérések tükrében sem tudjuk ugyanis, hogy miért gyorsabb az univerzum tágulásának üteme a vártnál, sőt: az új adatok csak még súlyosabbá tették a kapcsolatos problémákat.
Idén december 3-án a csillagászok megkapták, amire régóta vágytak, minden eddiginél több csillag minden eddiginél pontosabb távolsági adataihoz juthattak hozzá. „Csak begépelem egy csillag nevét vagy pozícióját, és egy másodpercen belül tudom a távolságát” – mondja Barry Madore, a Chicagói Egyetem és a Carnegie Obszervatóriumok kozmológus kutatója. Madore felesége, a szintén kozmológus Wendy Freedman is egyetért az új adatok értékességével, ahogy mondja, még sosem állt rendelkezésükre ennyi információ.
A kérdéses adatok az Európai Űrügynökség Gaia űrtávcsövétől származnak, amely immár hat éve figyeli az égboltot. A teleszkóp 1,3 milliárd csillag parallaxisát mérte le, vagyis azt a szögelmozdulását, amivel a Föld Nap körüli mozgásából adódóan a csillagok az égbolton látszólag elmozdulnak, és amiből meghatározható az adott csillag távolsága. A Gaia mérési adatai hatalmas mennyiségükön kívül azért is érdekesek, mert – ahogy már említettük – minden korábbi távolságmérésnél pontosabb eredményeket adnak, mondja Jo Bovy asztrofizikus, a Torontói Egyetem kutatója.
Feszültség az elmélet és gyakorlat között
A Gaia új katalógusa ráadásul egy sor olyan új csillagot is tartalmaz, amelyek nagy távolságuk miatt nem végeznek ilyen, látszólagos mozgást az égen, így viszonyítási pontként szolgálhatnak a többi csillag távolságának meghatározásakor. Általuk mostantól minden eddiginél nagyobb távolságokat határozhatnak meg a szakértők, ami viszont az első vonatkozó eredmények alapján tovább súlyosbítja a modern kozmológia legnagyobb problémáját, az univerzum vártnál gyorsabb tágulásának rejtélyét, más néven a Hubble-feszültséget.
A következőről van szó: A kozmosz ismert összetevői és az ezeket befolyásoló, feltételezett törvények szerinti egyenletek alapján az univerzumnak jelenleg 67 km/s/Mpc (1 megaparszek = 3,26 millió fényév) ütemben kellene tágulnia, vagyis a galaxisokat 67 km/s-mal gyorsabban kellene látnunk távolodni minden egyes megaparszek távolság esetén.
A tényleges mérések azonban ennél gyorsabb tágulást mutatnak: a galaxisok gyorsabban távolodnak a vártnál, ami azt sugallja, hogy a kozmosz tartalmaz valami olyan, egyelőre ismeretlen tényezőt, amely gyorsítja a tágulást.
Lehetséges, hogy a háttérben teljesen ismeretlen fizikai folyamatok állnak, de ilyenekre a szakértők nem tudnak alapozni. Így jelenleg azzal foglalkoznak, hogy minél inkább csökkentsék a kozmikus tágulás mérésével kapcsolatos hibákat. Ezek egyik legjelentősebb forrása a közeli csillagok távolságának mérésével kapcsolatos bizonytalanság volt, amit azonban a Gaia friss prallaxisadatai már a kívánt pontossággal adnak meg.
Egy napokban online közzétett, a The Astrophysical Journal című folyóiratnak benyújtott tanulmány már ezekkel az adatokkal számol. A vizsgálatban Adam Riess, a Johns Hopkins Egyetem kutatója, aki 2011-ben Nobel-díjat kapott a sötét energia felfedezéséért, kollégáival 73,2 km/s/Mpc-ben adta meg a világegyetem tágulásának egységnyi sebességét. A hibahatár mindössze 1,8%, és ahogy a számokból látszik, a mért adat, ahogy már az eddigi, pontatlanabb számításokból is látszott, jelentősen magasabb az elméleti modellek alapján várt 67 km/s/Mpc-nél. Freedman és Madore várhatóan januárban fogja publikálni saját kutatócsoportjuk új adatokon alapuló számításának eredményét, és ők is azt várják, hogy az új adat nem csökkenti, hanem megerősíti a mérések és a teoretikus érték közti különbség tényét.
Váratlan problémák
A Gaia 2013 decemberi indulása óta a mostani együtt összesen három mérési adatállományt tettek közzé az űrtávcsövet felügyelő szakértők, és mindegyik nyomán alapvető újdonságokra derült fény kozmikus szomszédságunkról. A mostanit megelőző parallaxismérések ugyanakkor kifejezetten csalódást keltők voltak, mondja Freedman.
Parallaxist mérni persze nem könnyű, ha egyszerűbb lenne, a kopernikuszi fordulat valószínűleg sokkal hamarabb következett volna be. Kopernikusz a 16. században fogalmazta meg elméletét, miszerint a Föld a Nap körül kering (nem pedig fordítva). És amennyiben a Föld ilyetén mozgása valóban helytálló, vélte a csillagász, a közeli csillagoknak is el kellene mozdulniuk az égbolton, hasonlóan a lámpaoszlophoz, amely elmozdul a háttérbeli dombokhoz képest, ahogy haladunk az utcán. Ezt a látszólagos elmozdulást azonban a csillagok esetében sokáig nem sikerült kimérni.
Ez elsőként Friedrich Bessel német csillagásznak jött össze 1838-ban. Bessel a 61 Cygni nevű kettőscsillag szögelmozdulását mérte meg a környező csillagokhoz képest, és a rendszer távolságát 10,3 fényévben határozta meg.
Mérése a tényleges értéktől nagyjából 10 százalékkal tér el, a Gaia friss adatai alapján a 61 Cygni csillagai 11,4030, illetve 11,4026 fényévre vannak tőlünk.
A 61 Cygni esetében az segítette a korai mérést, hogy nagyon közel van, így nagy a látszólagos elmozdulása az év során. A Tejútrendszer csillagainak többsége azonban sokkal messzebb található, így szögmásodpercekben mérhető a parallaxisuk, ami a modern távcsövek kameráinak többségén is egyetlen pixel pár századrészét jelenti. Az elmozdulás detektálásához így speciális, rendkívül stabil műszerekre van szükség. A Gaiát pedig pontosan erre tervezték, amikor azonban bekapcsolták, előre nem látott problémákba ütköztek a szakértők.
A távcső úgy működik, hogy egyszerre mindig két irányba néz, és egy-egy csillag kapcsán azt követi nyomon, hogy a két különböző időpontban készült felvételen mekkora az elmozdulás, mondja Lennart Lindegren, aki 1993-ban egyike volt a Gaia ötletét felvető kutatóknak, most pedig a parallaxisadatok elemzésében vesz részt. A pontos adatokhoz azonban szükséges, hogy a két látómező közti szög fix legyen. A Gaia küldetésének kezdetén azonban hamar kiderült, hogy ez nem teljesül.
A teleszkóp alakja enyhén módosult, ahogy a napfénynek való kitettsége változott, ami miatt a látóterek egymáshoz képest is mozogtak, a parallaxishoz hasonló ingadozást okozva az adatokban.
Ahogy azonban gyűltek az adatok, a Gaiával dolgozó kutatók egyre könnyebben szűrték ennek az „álparallaxisnak” a hatásait. A friss adatokból Lindegren és kollégái már gyakorlatilag tökéletesen eltávolították a nem várt torzulások okozta háttérzajt, és egy olyan egyenletet is létrehoztak, amivel az adatokat elemző kutatók tovább korrigálhatnak a parallaxison a megfigyelni kívánt csillag pozíciójától, színétől és fényességétől függően.
Kozmikus távolságmérés
Az új adatok birtokában Riess, Freedman, Madore és mások újra kiszámíthatják az univerzum tágulásának ütemét. Míg a távolságok ismeretében a sebesség már gyorsan megadható, a távolságok meghatározása továbbra is kemény dió, bár az új adatok ebben is segítenek. Ezek a számítások az úgynevezett kozmikus távolságlétra fokain, egy ismert távolságokat tartalmazó skálán alapulnak.
Az első fokot azok az úgynevezett standard gyertyák adják, amelyek saját galaxisunkban találhatók, és ismert fényességűek, valamint közeliek, ezért nagy viszonylag parallaxissal rendelkeznek. A második fokot a szomszédos galaxisok hasonló jellegű, de halványabb égitestjei alkotják, amelyek közeli standard gyertyákhoz képest halványabb fényéből következtetni lehet a távolságukra.
Utóbbi galaxisokat úgy válogatták össze, hogy legyen bennük Ia típusú szupernóva, amely azért érdekes az extragalaktikus távolságmérés, mert az elfogadott teóriák szerint jól meghatározott maximális abszolút fényességgel bír. Így látszólagos fényességéből következtetni lehet a távolságára. A következő fokon a távolibb, szintén Ia típusú szupernóvákat tartalmazó galaxisokat találjuk. Ezen távolabbi galaxisok sebességének és távolságának aránya adja meg a világegyetem tágulásának egységnyi sebességét.
A pontos parallaxisadatok feltétlenül szükségesek mindehhez, hiszen ezeken áll az első létrafok pontossága. Ha ez változik, minden további fok vele együtt változik
– mondja Riess. És ha az első fok pontossága javul, a minden más ebből számított távolság pontossága is javulni fog, teszi hozzá a kutató. Riess és csapata 75 cefeida-típusú változócsillag új parallaxisadatai alapján kalibrálták újra saját számításaikat a tágulás ütemét illetően. Ezek olyan csillagok, amelyek rendkívül szabályos ütemben változtatják fényességüket, és maximális fényességük abszolút mértéke pedig a pulzálás ütemétől függ – így kiválóan használhatók standard gyertyákként.
Freedman és Madore, Riess elsődleges versenytársai szerint ugyanakkor a cefeidák kizárólagos használatának megvannak a maga veszélyei az ilyen kalkulációkban, így ők inkább több különböző típusú standard gyertya alapján számolnak. Ezek között vannak cefeidák, RR Lyrae változócsillagok, C típusú változócsillagok és az úgynevezett TRGB-be tartozó vörös óriások, vagyis a legfényesebb ilyen csillagok.
„A Gaia új adatai biztos alapokat szolgáltatnak számunkra” – mondja Madore. Bár Madore és Freedman új számításainak megjelenésére valószínűleg még pár hetet várni kell, annyit már most elárultak, hogy az új parallaxisadatok és a korrekciós formula minden jel szerint jól működnek. Vagyis a különböző típusú standard gyertyákon alapuló mérésekkel nagyon hasonló távolságadatokat kapnak eredményül. Ami azt mutatja, hogy jó az irány.