Astronomii încep să se îndoiască de modelul standard al cosmologiei

Un studiu recent, publicat în revista The Astrophysical Journal, a furnizat cea mai precisă distanță până la roiul de galaxii Coma – dar a și adâncit criza din cosmologie privind modelul standard al cosmologiei.

Problema este că atunci când ne uităm la universul local, acesta pare să se extindă mai rapid decât rata prezisă de modelele actuale ce guvernează fizica. Această discrepanță dintre ceea ce prezic modelele și ceea ce poate fi observat în realitate poartă denumirea de conflictul Hubble (Hubble tension).

Ani de zile, conflictul Hubble a reamintit oamenilor de știință că este ceva în neregulă cu modelele actuale. Iar odată cu noile observații asupra Roiului Coma – localizat practic în curtea din spate, vorbind în termeni cosmologici -, astronomii spun că discrepanța este și mai evidentă ca niciodată. „Conflictul se transformă acum într-o criză”, spune Daniel Scolnic, de la Universitatea Duke, autorul principal al studiului.

Cât de repede se extinde universul?

Noul studiu completează un alt studiu din anul 2024, care a utilizat date colectate de instrumentul DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) din dotarea Telescopului Mayall din Kitt Peak, Arizona, Statele Unite. Obiectivul acestui instrument este studierea naturii expansiunii universului prin observarea galaxiilor îndepărtate.

Oamenii de știință caracterizează distanță până la o galaxie în funcție de câtă lumină este deplasată spre domeniul roșu al spectrului electromagnetic datorită efectului Doppler. În general, cu cât o galaxie se îndepărtează mai rapid de de noi, cu atât ea este mai departe de noi. Dar pentru a măsura cu exactitate rata de expansiune a universului, astronomii au nevoie de măsurători independente realizate prin metode alternative.

O astfel de metodă este metoda planului fundamental. Aceasta se aplică galaxiilor eliptice – galaxii vechi, ale căror structuri spiralate au fost distruse. Metoda deduce dimensiunea reală a galaxiei pe baza strălucirii acesteia și a vitezelor cu care se deplasează stelele sale. După ce dimensiunea reală este determinată, este relativ facilă calcularea distanței până la galaxiei, în funcție de cât de mare sau de mică aceasta apare.

Metoda planului fundamental este una dintre numeroasele metode utilizate pentru calcularea distanțelor până la galaxii. Luate împreună, ele alcătuiesc ceea ce astronomii numesc scara distanțelor cosmice; pe măsură ce astronomii se uită mai adânc în spațiu, fiecare metodă este ancorată la un punct de referință stabilit de metoda anterioară.

Studiul din anul 2024 (care a utilizat datele de la DESI) a oferit o metodă a planului fundamental ancorată pe distanță cunoscută până la masivul roi de galaxii Coma – un roi de galaxii din vecinătatea nostră, format din galaxii eliptice. Pornind de la acesta, cercetătorii au calculat rata actuală de expansiune de universului – cunoscută sub denumirea de constanta Hubble (sau H₀). A rezultat o valoare de 76 de kilometri pe secundă pe megaparsec, dar cu o incertitudine de aproape 5 km/s/Mpc datorată impreciziei distanței până la Roiul Coma.

Așadar, Roiul Coma servește drept punct de referință important: dacă astronomii ar putea măsura mai precis distanța până la acesta, ei ar putea îmbunătăți semnificativ estimarea ratei de expansiune a universului. Deci ar mai fi necesară o altă măsurătoare independentă.

O criză cosmologică

În afară de a fi bogat în galaxii eliptice, Roiul Coma conține și numeroase supernove de tip Ia. Aceste explozii stelare sunt denumite „lumânări standard”, deoarece, potrivit legilor fizicii, ele apar atunci când stelele pitice albe ating o masă critică, deci luminozitatea lor absolută este bine cunoscută.

Aceasta înseamnă că ele pot fi folosite pentru a măsura precis distanțele: cu cât mai palide apar, cu atât sunt mai departe. Cercetătorii au observat curbele de lumină ale 13 supernove din roiul galactic și au constatat că distanța până la Roiul Coma este de aproximativ 320 de milioane de de ani-lumină, cu o incertitudine de doar 7 milioane de ani-lumină.

În baza acestui punct de ancorare, astronomii au rafinat relația planului fundamental și au obținut o valoare pentru constanta Hubble de 76,5 kilometri pe secundă pe megaparsec, cu o incertitudine de doar 2,2 km/s/Mpc – de două ori mai precis decât rezultatele de la DESI. Această valoare este o potrivire excelentă cu alte măsurători independente ale constantei Hubble.

Cu toate acestea, rezultatele studiului exacerbează conflictul cu rata de expansiune a universului prezisă de modelul standard al cosmologiei, denumit Lambda Cold Dark Model (ΛCDM). Pentru a calcula predicțiile modelului, oamenii de știință au început cu observațiile asupra luminii radiate după Big Bang, cunoscută sub denumirea de radiație cosmică de fond. Apoi au utilizat ΛCDM pentru a extrapola datele în timp. Însă această abordare duce la constanta Hubble de astăzi, a cărei valoare este de 67,4 km/s/Mpc.

În consecință, noua măsurătoare a constantei Hubble pe baza distanței până la Roiul Coma sugerează că problema conflictului Hubble rezidă în ΛCM însăși, nu într-o eroare de măsurare.

Conflictul poate fi înlăturat?

Conflictul Hubble a determinat unii cosmologi să se îndrepte spre alte modele decât ΛCDM. Un studiu publicat în revista Physical Review D a explorat un astfel de model, denumit modelul Interacting Dark Energy (ISE), în care materia întunecată își poate transfera energie în energie întunecată și invers.

Modelul IDE are potențialul de a atenua nu doar conflictul Hubble, ci și așa-numita tensiune S₈ – un dezacord între predicții și observații privind gradul în care materia din univers este grupată – în esență, cât de „aglomerat” este universul. Procedând astfel, scenariul IDE reconciliază datele CMB și supernovele de tip Ia cu metoda planului fundamental. În timp ce în ΛCDM, singura modalitate prin care materia întunecată și energia întunecată pot interacționa este prin intermediul gravitației, în IDE, ele pot interacționa și în afara gravitației și pot face schimb de energie și impuls.

Studiul propune că, pentru cea mai mare parte a vieții universului, acest flux de energie a avut tendința de a merge într-o singură direcție. Însă acum aproximativ 3 miliarde de ani, când cantitățile de materie întunecată și energie întunecată din univers s-au egalizat, fluxul de energie s-a inversat. Această tranziție a făcut ca universul să se extindă mai repede decât în ΛCDM, ceea ce ar putea explica de ce măsurătorile constantei Hubble indică o valoare mai mare decât modelul standard.