Univerzum: megoldódhat a kozmológia egyik legnagyobb rejtélye

A téridő szövetében keletkező relativisztikus fodrozódások, a gravitációs hullámok jelenthetik a kulcsot az úgynevezett Hubble-feszültség megoldásához, amely a fizika egyik legnagyobb és legnyugtalanítóbb problémája. Az univerzum tágulása, pontosabban a tágulás sebességével kapcsolatos anomália a kozmológia legnagyobb és mindeddig megoldhatatlannak látszó feladványa. E kozmikus rejtvény megfejtéséhez azonban kulcskérdésnek számít a tágulás sebességével kapcsolatos ellentmondások feloldása. Az asztrofizikusok most egy mindeddig még nem alkalmazott vadonatúj módszerrel, az einsteini általános relativitáselmélet által megjósolt téridő hullámok segítségével szeretnék meghatározni a világegyetem tágulásának minél pontosabb mértékét.

Új módszer fedheti fel a kozmológia egyik legvitatottab kérdését Fotó: Wikimedia Commons

Az univerzum tágulásának problematikája a modern kozmológiai elméletek egyik legnehezebb feladványának számít. A patinás amerikai Yale Egyetem kutatói most egy olyan forradalmian új módszert dolgoztak ki, ami reményük szerint komoly esélyt jelenthet a világegyetem egyik legrejtélyesebb jelenségének a megmagyarázására.

Az univerzum egyik nagy rejtélye, a világegyetem gyorsuló tágulása. Fotó: NASA/JPL-Caltech

Az univerzum csak nagyon nehezen fedi fel az egyik legnagyobb titkát

Egy nemrég publikált új tanulmány szerint a világegyetemben összeolvadó fekete lyukak keltette halvány gravitációs háttérhullám-sugárzás felhasználható a tér tágulási sebességének független mérésére. Ha bebizonyosodik, hogy ez megfelelő módszer lehet a kozmológia központi kérdésével, az úgynevezett Hubble-állandóval kapcsolatos ellentmondások megoldásához, ez azt is eldöntheti egyben, hogy az univerzum természetének a megmagyarázásához szükségünk van-e új fizikai modellre.

Edwin P. Hubble talált először bizonyítékot az univerzum tágulására. Fotó: Time/Margaret Bourke-White

Még 1929-ben Edwin P. Hubble amerikai csillagász fedezte fel, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, a színképében annál nagyobb a vöröseltolódás mértéke, vagyis a távolságával arányosan megnő a távolodási sebessége is. Ezt a törvényszerűséget fejezi ki az úgynevezett Hubble-állandó, illetve fogalmazza meg a Hubble–Lemaitre-törvény. Az ezt kifejező v = H x r képletben a v a galaxisok távolodási sebességét, az r szorzat a távolságukat, a H szorzat pedig a Hubble-állandót jelenti.

A Hubbel-állandót Hubble paraméternek is szokás nevezni, mivel szigorúan véve az értéke nem állandó, hanem idővel megváltozik az univerzum gravitációban résztvevő összetevőinek hatására. A Hubble-állandó jelenleg legpontosabbnak tartott értéke 74,2 (plusz-mínusz 3,6) km/sec. A Hubble-állandó értékét nagyjából 10 százalék pontossággal sikerült megállapítani az űrtávcsöves mérések segítségével.

1998-ban azonban Samuel Perlmutter, valamint Brian Schmidt és Adam Riess kutatócsoportja a távoli szupernóvák vizsgálata alapján egymástól függetlenül felfedezte, hogy az univerzum a standard modell jóslatával szemben nem egyenletesen, hanem gyorsulva tágul. 

Ez a felfedezés alapjaiban kérdőjelezte meg az univerzum tágulására vonatkozó addigi modellek helyességét. 

Perlmutter, Smith és Riess az univerzum gyorsuló tágulásával kapcsolatos felfedezésükért 2011-ben megkapták a fizikai Nobel-díjat. Fotó: Nobel Prize

A gyorsuló tágulás megmagyarázására iktatták be az új kozmológiai modellbe a gravitációval ellentétes hatású feltételezett erőhatás, a sötét energia fogalmát. Praktikusan ez azt jelenti, hogy a Hubble-állandó értéke időben másként változik, mint ahogy azt addig feltételezték, ugyanakkor a kozmológiai modelleknek továbbra is az egyik fontos paramétere maradt.

A Hubble-feszültség, mint az asztrofizikusok Szent Grálja

Éppen az előzőekben írtakra figyelemmel sem véletlen., hogy az univerzum Hubble-állandóba kódolt tágulási üteme az utóbbi években heves viták középpontjába került. Az univerzum korai állapotán alapuló mérések, mint például az ősrobbanásból visszamaradt sugárzásból, az úgynevezett kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásból levont következtetések ugyanis eltérnek a közelebbi kozmikus objektumokból, például a szupernóvákból és a galaxisokból származó mérések eredményeivel.

Az ősrobbanás művészi ábrája. Fotó: Romolo Tavani

Ez az eltérés, amit Hubble-feszültségnek neveznek az asztrofizikusok, mára már igen jelentős statisztikai szignifikanciát ért el. 

„A Hubble-feszültség a kozmológia egyik legfontosabb nyitott problémája” – mondja Chiara Mingarelli, a Yale Egyetem fizikusadjunktusa, aki nem vett részt az új tanulmányban, és akit a Live Science tudományos hírportál idéz. „A korai és késői univerzumbeli tágulási sebesség mérései több mint 5 szigmában [a szigma a fizika statisztikai szignifikanciájának az aranystandardja] térnek el egymástól, és nem tudjuk, hogy miért. Vagy azonosítatlan szisztematikus hiba lehet ennek a hátterében, vagy pedig új fizikára van szükségünk. A tágulási sebesség bármilyen valóban független megmérése éppen ezért számít rendkívül értékes adatnak” – hangsúlyozza a Yale Egyetem fizikusa.

Einstein jósolta meg elsőként a gravitációs hullámok létezését. Fotó: Getty Images

Az új kutatás, amit a Physical Review Letters szakfolyóirat közlésre elfogadott és már előzetes kiadásban is elérhető, egy ilyen független módszert javasol, ami szinte teljes egészében a gravitációs hullámokon – a téridő szövetében megjelenő finom fodrozódásokon – alapul, amelyek létezését Albert Einstein általános relativitáselmélete jósolt meg először teoretikusan. 

A gravitációs hullám a téridő görbületének hullámszerűen terjedő megváltozása, amit Einstein 1916-ban publikált általános relativitáselmélete jósolt meg először. Gravitációs hullámot nemcsak a klasszikusan megfogalmazott tömegvonzás, hanem bármilyen más gyorsuló tömeg is kelthet. A gravitációs sugárzás a gravitációs hullámok által továbbított energia. A gravitációs hullámok legfőbb forrásai azok a kettős rendszerek, amelyeknek egyik tagja egy fehér törpe vagy egy neutroncsillag és egy fekete lyuk, illetve a fekete lyukak kettős rendszerei. Először 2015-ben sikerült gravitációs hullámot közvetlenül is észlelni, bebizonyítva Einstein jóslatának helyességét. 

„Ez az eredmény nagyon jelentős” – mondja a tanulmány társszerzője, Nicolás Yunes, az Illinois-i Egyetem Urbana-Champaign asztrofizika-professzora egyik nyilatkozatában. „Módszerünk innovatív módja annak, hogy a gravitációs hullámok segítségével növeljük a Hubble-állandóra vonatkozó következtetések pontosságát” – hangsúlyozza a professzor.

Fekete lyukak üzennek a világegyetem mélységeiből

2015 óta olyan detektorok, mint a Lézer-interferométeres gravitációs hullám obszervatórium (LIGO), a Virgo interferométer és a Kamioka gravitációs hullám detektor (KAGRA), több tucat fekete lyuk egyesülését figyelte meg a gravitációs hullámok segítségével. Minden ilyen típusú egyesülés fontos információt nyújt az összeolvadásban részt vevő fekete lyukak tömegéről és a Földtől való távolságukról.

Egy fekete lyuk művészi ábrája. Fotó: Mark A. Gralic/Sheffield University

 „Mivel egyedi feketelyuk-ütközéseket figyelünk meg, meg tudjuk határozni ezeknek az ütközéseknek a sebességét” – írta  közleményében Bryce Cousins, a tanulmány vezető szerzője és az Illinois-i Urbana-Champaign Egyetem kutatója. „E sebességek alapján arra számíthatunk, hogy jóval több olyan esemény lesz, amelyet nem tudunk közvetlenül megfigyelni és ezeket a halvány jeleket nevezzük gravitációs háttérhullámoknak” – mondja a tanulmány vezető szerzője. 

A gravitációs háttérhullám – amelyet néha sztochasztikus vagyis véletlenszerű jelként írnak le –, számos távoli egyesülés halvány és kollektív hatása. E jelek teljes erőssége attól függhet, hogy milyen gyorsan tágul az univerzum. 

„Ez egy igen okos ötlet” – dicséri az új módszert Chiara Mingarelli, a Yale Egyetem fizikusa. „A gravitációs háttérhullámok – a távoli fekete lyukak összeolvadásainak kollektív jelei – túl halkak ahhoz, hogy egyenként is észlelni lehessen ezeket, ami pedig az univerzum tágulási sebességével áll összefüggésben. A lassabb tágulás nagyobb térfogatot, több összeolvadást és »zajosabb« hátteret eredményezne. Tehát még a háttér nem észlelése is kedvezőtlenül hat a Hubble-állandó alacsony értékeire” – magyarázza a kutató. 

                  Gravitációs hullámok szabadulnak fel, amikor két hatalmas objektum, például fekete lyuk ütközik.                             Fotó: NASA/Goddard

A gravitációs hullámdetektorok jelenlegi adatainak felhasználásával a kutatócsoport kimutatta, hogy a detektált „csendes” háttér már eleve kizárja a Hubble-állandó néhány alacsonyabb értékét. Bár a jelenlegi korlátok meglehetősen tágak, ennek ellenére ez a mindeddig még nem alkalmazott vizsgálati módszer megfelelő keretet nyújt néhány újszerű kozmológiai következtetés levonásához is.

Újabb lépés az univerzum tágulástörténetének jobb megértésében

„Nem mindennap találunk ki teljesen új kozmológiai eszközöket” – mondja Daniel Holz, a tanulmány társszerzője, a Chicagói Egyetem fizika- és csillagászatprofesszora. „[Az új módszerrel] megmutatjuk, hogy a távoli galaxisokban egyesülő fekete lyukakból származó gravitációs háttérhullámok felhasználásával hogyan ismerhetjük meg jobban az univerzum korát és összetételét” – hangsúlyozza az asztrofizikus. „Ez egy teljesen új irány, és izgatottan várjuk, hogy módszereinket a jövőbeli adatkészletekre is alkalmazhassuk, hogy elősegítsük a Hubble-állandó, valamint más kulcsfontosságú kozmológiai mennyiségek meghatározását” – tette hozzá Daniel Holz. 

Egy fekete lyuk eseményhorizontjának művészi ábrája. Fotó: ESA

Bár az új módszer valóban ígéretesnek tűnik, Chiara Mingarelli rámutat a jelenlegi korlátaira is. „A módszer fő előnye, hogy ez szinte teljes egészében a gravitációs hullámokon alapuló mérés, ami független az elektromágneses távolságlétrától és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzástól is” – emeli ki a kutató. „De a bizonytalanságok továbbra is nagyok, és az eredmény az adott fekete lyukak populációs modelljétől is függhet” – hívja fel a módszer korlátaira a figyelmet. A jövőben a detektorok korszerűsítése várhatóan jelentősen javítja majd a gravitációs háttérhullámok érzékenységének az észlelhetőségét is.

Két fekete lyuk ütközéséből származó gravitációs hullám művészi ábrája. Fotó: NASA/C. Henzel

 Siker esetén ez a sztochasztikus módszer hatékony új eszközzé válhat az univerzum tágulási történetének vizsgálatában és annak eldöntésében, hogy a Hubble-feszültség új fizikát, vagy a meglévő mérésekben rejlő szisztematikus hibákat jelez-e.

A teljes tanulmány angol nyelven itt olvasható el.

A Yale Egyetem kutatócsoportja:

• a kozmológia egyik legnagyobb megoldatlan problémája, az úgynevezett Hubble-zavar feloldására olyan új módszert dolgozott ki, amely a távoli fekete lyukak összeolvadása során keletkező gravitációs hullámok segítségével igyekszik feloldani, illetve pontossá tenni a Hubble-állandóval kapcsolatos eltérő értékek problematikáját.