A Hubble-űrteleszkóp (HST) megépítésére benyújtott kérvényben az Egyesült Államok kongresszusának három tudományos indoklásából az egyik az volt, hogy a távcsővel végzett mérések alapján pontosan meghatározható az univerzum tágulási sebessége. A HST 1990-es indítása előtt a földi távcsövek megfigyelései hatalmas bizonytalanságokat eredményeztek, a tágulási sebességtől függően az univerzum 10-20 milliárd éves lehet. Az elmúlt 34 évben a HST ezt az értéket egy százalékot megközelítő pontosságúra csökkentette. Ez az ún. „kozmikus távolságlétra” finomításával valósult meg a cefeida változócsillagokként ismert kozmikus kilométerkövek méréseinek segítségével.

Az eredmények azonban egy évtizede zavarba ejtik a kozmológusokat. A Hubble legjobb mérései is azt mutatják, hogy az univerzum most gyorsabban tágul, mint azt az ősrobbanást követő időszakra vonatkozó megfigyelések alapján előre jelezték. Ez utóbbit a Planck űrszonda által végzett mérésekből a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás feltérképezése során kapták, mintegy vázlatosan arra vonatkozóan, hogy hogyan fejlődött az univerzum szerkezete az ősrobbanás utáni lehűlés után.

A dilemma egyszerű megoldása lehetne, ha azt mondanánk, hogy a HST megfigyelései tévesek a mélyűr távolságskálájában tapasztalható valamiféle pontatlanság miatt. Aztán jött a James Webb-űrteleszkóp a Hubble eredményeinek ellenőrzésére, és éles infravörös képe a cefeidákról megegyezett a HST adataival és megerősítette, hogy a Hubble-teleszkópnak mindvégig igaza volt.

A lényeg az, hogy a közeli univerzumban zajló események és a korai univerzum tágulása közötti úgynevezett „Hubble-feszültség” (Hubble tension) továbbra is lenyűgöző rejtvény marad a kozmológusok számára. Talán valami beleszőtt a tér szövetébe, amit még nem értünk.

A Hubble-feszültségnek nevezett rejtély az, hogy az univerzum jelenlegi tágulási üteme gyorsabb, mint amit a csillagászok várnak tőle az univerzum kezdeti körülményei és az univerzum evolúciójával kapcsolatos jelenlegi ismereteink alapján.

A NASA Hubble-űrteleszkópját és sok más távcsövet használó tudósok következetesen olyan számokat találnak, amelyek nem egyeznek az ESA (Európai Űrügynökség) Planck-küldetésének megfigyelésein alapuló előrejelzésekkel. Új fizikát igényel ennek az eltérésnek a feloldása? Vagy ez a tér tágulási sebességének meghatározására használt két különböző módszer közötti mérési hibák eredménye?

A Hubble már több mint 30 éve méri az univerzum jelenlegi tágulási ütemét, és a csillagászok ki akarják küszöbölni a pontosságával kapcsolatos esetleges kételyeket. Most a Hubble és a James Webb-űrteleszkóp összefogott, hogy döntő méréseket végezzenek továbbra is megerősítve azt az esetet, hogy nem mérési hibák, hanem valami más befolyásolja a tágulási sebességet.

„A mérési hibák tagadása mellett az a valódi és izgalmas lehetőség marad, hogy félreértettük az univerzumot” – mondta Adam Riess, a baltimore-i Johns Hopkins Egyetem fizikusa. Riess megosztott fizikai Nobel-díjat kapott azért a felfedezésért, hogy az univerzum tágulása egy titokzatos jelenség miatt gyorsul, amelyet ma „sötét energiának” neveznek.

Ellenőrzésként egy első Webb-megfigyelés 2023-ban megerősítette, hogy a táguló univerzum Hubble-mérései pontosak. A Hubble-feszültség enyhítésének reményében azonban egyes tudósok azt feltételezték, hogy a mérésben tapasztalható láthatatlan hibák növekedhetnek és láthatóvá válhatnak, ahogy mélyebbre tekintünk az univerzumban. Különösen a csillagok zsúfoltsága befolyásolhatja szisztematikus módon a távolabbi csillagok fényességmérését.

A Riess vezette SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) csapat további megfigyeléseket végzett a Webb segítségével olyan objektumokról, amelyek kritikus kozmikus kilométerkövekként ismert cefeida változócsillagok, és most már korrelálhatók a Hubble-adatokkal.

„Most már a Hubble által végzett megfigyelések teljes skáláját felöleltük, és nagyon nagy biztonsággal kizárhatjuk, hogy mérési hiba okozza a Hubble-feszültséget” – mondta Riess.

A csapat 2023-ban végzett első néhány Webb-megfigyelése sikeres volt, és megmutatta, hogy Hubble jó úton halad az úgynevezett kozmikus távolságlétra első fokainak pontosításában.

A csillagászok különféle módszereket használnak a relatív távolságok mérésére az univerzumban attól függően, hogy milyen objektumot figyelnek meg. Ezeket a technikákat együttesen kozmikus távolságlétrának nevezik, minden egyes létrafok vagy mérési technika az előző kalibrálási lépésre támaszkodik.

Egyes csillagászok azonban azt javasolták, hogy a „második lépcsőfok” mentén kifelé haladva a kozmikus távolságlétra meginoghat, ha a cefeidákkal történő távolságmérés nem elég pontos. Ilyen pontatlanságok azért fordulhatnak elő, mert a cefeidák fénye összeolvadhat egy szomszédos csillag fényével, és ez a hatás a távolsággal egyre lényegesebbé válhat, ahogy a csillagok egyre jobban sűrűsödnek, és nehezebb lesz felbontani egymástól.

A megfigyelési kihívás az, hogy ezekről a távolabbi cefeida változókról készült korábbi Hubble-felvételeken minél távolabbi cefeidát nézünk, annál inkább összeolvadnak a szomszédos csillagokkal, ezért gondosan figyelembe kell venni ezt a hatást. A közbeeső por tovább bonyolítja a látható fényben végzett mérések pontosságát. A Webb azonban áthatol a poron, és természetesen választja el a cefeidákat a szomszédos csillagoktól, mivel sokkal élesebb a látása, mint a HST-é az infravörös hullámhosszakon.

„A Webb és a Hubble egyesítése a legjobbat nyújtja számunkra. A Hubble-mérések megbízhatónak bizonyulnak, ahogy továbbmászunk a kozmikus távolságlétrán” – mondta Riess.

Az új Webb-megfigyelés öt olyan galaxist foglal magába, amely nyolc Ia típusú szupernóvának ad otthont és összesen 1000 cefeidát tartalmaz, valamint elérik a 130 millió fényév távolságra található NGC 5468-at is, a legtávolabbi olyan galaxist, amelyben a cefeidák jól mérhetőek. „Ez lefedi a teljes tartományt, ahol méréseket végeztünk a Hubble-űrtávcsővel. Tehát a kozmikus távolságlétra második fokának végére értünk” – mondta Gagandeep Anand, a baltimore-i Space Telescope Science Institute munkatársa.

Azzal, hogy a Hubble és Webb továbbra is megerősítette a Hubble-feszültséget, további obszervatóriumok előtt nyitja meg a lehetőséget, hogy megoldják a rejtélyt. A NASA közelgő Nancy Grace Roman-űrteleszkóp felmérései a sötét energia hatását fogja tanulmányozni, vagyis azt a titokzatos energiát, amely az univerzum tágulását felgyorsítja. Az ESA Euclid Obszervatórium a NASA közreműködésével hasonló feladatot lát el.

Jelenleg úgy tűnik, hogy a Hubble és Webb által megállapított távolságlétra szilárdan rögzíti a horgonypontot a folyó egyik partján, a Planck mérései alapján a világegyetem kezdetéről figyelt ősrobbanás utófénye pedig a másik parton helyezkedik el. Közvetlenül még nem figyelhető meg, hogyan változott az univerzum tágulása a két végpont közötti évmilliárdokban. „Ki kell derítenünk, nem hiányzik-e valami az univerzum kezdete és napjaink közötti összekapcsolásban” – mondta Riess.

Forrás: James Webb Space Telescope