Sekwencja zdarzeń jest następująca: kiedy w 1929 r. Edwin Hubble stwierdził, że galaktyki – których istnienie sam zresztą odkrył pięć lat wcześniej – oddalają się od siebie coraz szybciej w miarę wzrostu odległości, powstała nowoczesna nauka o Wszechświecie. Jej punktem wyjścia i fundamentem została koncepcja Wielkiego Wybuchu, który nadał Wszechświatowi dynamikę pozwalającą mu się rozszerzać.
Pochodną tego odkrycia było ustanowienie tzw. stałej Hubble’a. Mówi ona o tym, że Wszechświat się rozszerza, a więc o pewną wartość rośnie co sekundę każdy megaparsek (Mpc) przestrzeni (megaparsek to milion parseków, a parsek – pc – to 3,26 lat świetlnych). Innymi słowy – stała Hubble’a opisuje tempo rozszerzania się Wszechświata w funkcji czasu i pozwala obliczyć, o ile galaktyka znajdująca się od nas w odległości megaparseka (3,3 mln lat świetlnych) oddali się co każdą sekundę. Jednak dokładne wyliczenie tego „ile” wcale nie jest łatwym zadaniem.
Początkowo wyznaczano tę stałą bardzo wysoko, na kilkaset kilometrów na sekundę w megaparseku – uzyskano ten wynik dzięki kosmicznemu teleskopowi Hubble’a w latach 90. XX w. Potem stwierdzono, że wartość ta jest istotnie mniejsza – czyli kilkadziesiąt kilometrów na sekundę.
Stała Hubble’a dzięki obserwacjom cefeid i sondy Planck
Z czasem, już w naszym wieku, astronomowie zaczęli stosować bardziej zaawansowane metody do wyznaczenia stałej Hubble’a, a więc podstawowego parametru astronomii obserwacyjnej, dzięki któremu możemy określić wiek, skalę i rozmiar otaczającego nas Wszechświata.
Istnieje kilka takich metod. Dwie podstawowe to liczenie stałej dzięki obserwacji tzw. cefeid, a więc gwiazd zmiennych pulsacyjnych, które odkrywamy poza naszą Mleczną Drogą, np. w Wielkim Obłoku Magellana. Tę metodę z dużym powodzeniem zastosowali naukowcy z Carnegie Institution for Science w Waszyngtonie pracujący pod kierownictwem noblisty, astrofizyka Adama Riessa. Ich wynik określał stałą Hubble’a na 74 km na sekundę na megaparsek.
Drugą metodę zastosowali badacze śledzący dokonania sondy Planck, której zadaniem było mapowanie i badanie tzw. mikrofalowego promieniowania tła, a więc pierwszego światła we Wszechświecie, które także jeszcze dzisiaj możemy dostrzec. Ich obliczenia przedstawione w 2015 r. dawały inną wartość stałej Hubble’a, a mianowicie 66,93 km na sekundę na megaparsek.
Soczewkowanie grawitacyjne i stała Hubble’a jeszcze dokładniej
W 2017 r. z kolei grupa uczonych skupiona w międzynarodowym programie badawczym H0LiCOW, kierowana przez astrofizyk Sherry Suyu z Instytutu Maxa Plancka w Niemczech, ustaliła z dużą precyzją – i dość niezwykłą metodą – kolejną wartość stałej Hubble’a. Wynosi ona według nich 71,9 km na sekundę na megaparsek z maleńkim marginesem w jedną lub w drugą stronę.
Co ciekawe, do wyznaczenia stałej Hubble’a naukowcy zastosowali metodę zwaną soczewkowaniem grawitacyjnym. W soczewce dużej galaktyki obserwowali kilka obrazów lub – można powiedzieć – zwielokrotniony obraz znajdującego się daleko za nią kwazara. Obserwując kilka obrazów tego samego kwazara, dostrzegali zmianę jego jasności, ale nie w tym samym czasie w każdym z obrazów, tylko z pewnym opóźnieniem. Zmiana aktywności kwazara była widziana najpierw w jednym jego obrazie, potem w drugim i w kolejnych, a to oznacza, że światło każdego z tych obrazów docierało do obserwatorów w nieco innym czasie, czyli inną drogą.
Dla wyjaśnienia: wszystkie te obrazy ukazują tak naprawdę wciąż jeden i ten sam obiekt – to jeden konkretny kwazar – a powstają na skutek działania nań grawitacyjnej soczewki. I właśnie badanie opóźnień, z jakimi docierały do Ziemi poszczególne obrazy zmiany aktywności kwazara, dało uczonym możliwość ustalenia, jak bardzo przestrzeń obserwowanego kosmosu rozszerza się, a to pozwoliło im w rezultacie wytyczyć bardzo dokładnie stałą Hubble’a.
Czytaj także: Najdalsza gwiezdna obserwacja w historii
Czerwone olbrzymy dodają swoje trzy grosze
Wreszcie zespół badaczy nieba z Carnegie, a także z University of Chicago oraz z Princeton University, doniósł, że używając jeszcze innej metody, a mianowicie obserwacji tzw. czerwonych olbrzymów w sąsiednich galaktykach i maksimów ich jasności, wyznaczyli stałą Hubble’a na 69,8 km na sekundę na megaparsek. Mamy więc co najmniej cztery pomiary różniące się wartością, co uwidacznia, że wyznaczenie absolutnej stałej Hubble’a jest rzeczą bardzo trudną, a może nawet niewykonalną.
Badania te dowodzą raczej, że stała Hubble’a nie jest w istocie stałą, lecz zmienną o wartości zmieniającej się z czasem. Dlatego sonda Planck, badająca bardzo młody Wszechświat, wyznaczyła mocno inną, niższą wartość stałej Hubble’a – oszacowano ją, przypomnijmy, na 66,93 km/s/Mpc. Niegdyś Wszechświat rozszerzał się wolniej, potem tempo to wzrosło i wciąż wzrasta. I to by się zgadzało.
Ponadto wiemy już z dotychczas przeprowadzonych wyliczeń stałej Hubble’a, że obecnie Wszechświat rozszerza się z prędkością ok. 70 km/s/Mpc. Wynik pochodzący z badań H0LiCOW i ten ostatni są do siebie wyraźnie zbliżone. Może to być nieco więcej lub nieco mniej niż 70 km, ale to jest już wiedza satysfakcjonująca.
Pozostaje inna kwestia, a mianowicie – dokąd Wszechświat pędzi, jak długo będzie się rozszerzał i jaki będzie tego rozszerzania finał. To jednak są już zupełnie inne pytania.
Czytaj także: Piękno galaktycznego trójkąta