A világegyetem nagy rejtélye: még mindig nem tudjuk, hogyan tágul az univerzum

Egy új és átfogó tanulmány több évtizednyi kutatás alapján arra próbált meg választ adni, hogy mi az a lényeges elem, ami még hiányzik az univerzum egyik alapvető tulajdonságának a megértéséhez. Azt, hogy a világegyetem tágul, először Albert Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg teoretikusan, és bő egy évtizeddel később, 1929-ben Edwin P. Hubble amerikai csillagász meg is találta a csillagászati bizonyítékot az einsteini hipotézis helytállóságára. Később azonban egyre több olyan kérdés fogalmazódott meg az univerzum tágulásával kapcsolatban, amire nem sikerült elfogadható magyarázatot találni. 1998-ban pedig az is bebizonyosodott, hogy a világegyetem ráadásul gyorsulva tágul.

Megoldatlan rejtély az univerzum nem egyenletes sebességű tágulása Fotó: NASA/ESA

A világegyetem egyik nagy rejtélyével, az univerzum tágulásának értelmezésével a modern kozmológiai modell sem tud még egyelőre mit kezdeni. A különböző mérések ugyanis eltérő értékeket mutatnak az univerzum tágulási sebességére, amire mindeddig még nem találtak elfogadható magyarázatot.

A világegyetem tágulásának nem egyenletes sebessége a kozmológia egyik legnagyobb rejtélye   Fotó: NASA/ESA

A világegyetem tágulási sebességére különböző mérési eredmények születtek

A csillagászok kétféleképpen számítják ki az univerzum tágulási sebességét, vagyis a Hubble-állandót. Az egyik módszer a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB) távolságának mérése, ami a legkorábbi fény, amely mindössze 380 000 évvel az ősrobbanás után terjedt szét a korai világegyetemben.

Fotó: ELTE

Edwin P. Hubble amerikai csillagász 1929-ben felfedezte, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb a vöröseltolódása, azaz annál nagyobb sebességgel látszik távolodni tőlünk. A Hubble-törvény szerint a galaxisok távolodási sebessége (v) arányos a távolságukkal, amit a v = H × r képlet fogalmaz meg, ahol a H a Hubble-állandó.

A második módszer a lokális univerzum tágulásának tanulmányozása az úgynevezett standard gyertyák, azaz a közeli, ismert fényességű csillagok megfigyelésével, amelyeknek a színkép vörös tartománya felé tolódik el a fénye, mire az elér bennünket. Az első módszer számításai szerint a Hubble-állandó körülbelül 67 vagy 68 kilométer/másodperc/megaparszek, míg az utóbbi körülbelül 73 kilométer/másodperc/megaparszek értéket eredményez. 

Edwin P. Hubble fedezte fel a galaxisok vöröseltolódását, azaz az univerzum tágulását    Fotó: Time/Margaret Bourke-White

(Egy megaparszek körülbelül 3,26 millió fényévnek felel meg.) Bár ez laikus szemmel nézve elenyészően csekély eltérésnek tűnhet, de ennek ellenére az eltérés mégis sokkal nagyobb annál, mint amit a statisztikai bizonytalanság képes lenne megmagyarázni. Ez az eltérés a gyökere a Hubble-feszültségként ismert problémának.

A Hubble-feszültség azt jelenti, hogy az univerzum tágulási sebessége nem egyenletes. Először a Hubble űrtávcső megfigyelési adatai bizonytották be, hogy e megmagyarázhatatlan anomália nem mérési hiba, hanem valós jelenség. 2023-ban a James Webb űrtávcső még pontosabb adatai pedig mindezt megerősítették.

Erre figyelemmel egy nagyszabású csillagász szimpóziumon igyekeztek meghatározni azokat a legjobb módszereket, amelyekkel a legnagyobb pontossággal határozható meg a Hubble-állandó.

Egységes keretrendszert kellett kialakítani a Hubble-állandó legpontosabb meghatározásához

Az Astronomy & Astrophysics szakfolyóiratban április 10-én megjelent tanulmány szerzőinek sikerült meghatároznia az eddigi legpontosabb Hubble-állandót, és megállapították, hogy a Hubble-feszültség ennek ellenére továbbra is fennáll, ami arra utal, hogy a jelenlegi kozmológiai modellünk lehet hiányos. „A [Hubble-állandó] késői és korai univerzumi értékeinek összehasonlítása kozmológiai léptékekben teszteli az alapvető fizikát, és azt mutatja, hogy valami hiányzik” – mondja Richard Anderson, a tanulmány társszerzője és a Göttingeni Egyetem asztrofizikusa, akit a Live Science tudományos hírportál idéz. 

A Hubble-feszültség arra utal, hogy valami hiányzik a kozmológiai standard modellből   Fotó: NASA/JPL-Caltech

A korábbi kozmológiai számítások egy kozmikus távolságlétra létrehozásán alapultak. Ennek az egyes fokai egyre távolabbi kozmikus objektumokat foglalnak magukba, beleértve ezekbe a Tejútrendszer cefeida változócsillagait és a távolabbi szupernóvákat is, amelyek távolsága a saját fényességük és a számunkra látható fényességük közötti különbségből számítható ki, miután fényük áthaladt a táguló téren. 

Egy szupernóva művészi ábrája   Fotó: AFP

Egy nemrégiben indult közösségi erőfeszítés, amelyet a 2025 márciusában Bernben a Nemzetközi Űrtudományi Intézet konferenciáján indítottak el, kibővítette a kozmikus távolságlétrát a közeli univerzum átfogó felmérésévé, az úgynevezett lokális távolsági hálózattá és ezzel egy olyan célt sikerült elérni, amit egy évtizeddel ezelőtt még „potenciálisan elérhetetlennek” tartottak.

                                   Egy kozmikus „távolságlétra” illusztrációja, amelyet az univerzum tágulási ütemének kiszámítására használnak                                                    Fotó:  CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA/J. Pollard / Live Science

 „Ez nem csupán a Hubble-állandó új értéke, hanem egy olyan keretrendszer, amely több évtizedes független távolságmérés eredményeit hozza össze átláthatóan és hozzáférhetően” – hangsúlyozzák a kutatók a Nemzeti Tudományos Alapítvány NOIRLab-jának közleményében. 

Az egységes keretrendszer évtizedek független kutatását egyesítette különféle, a megfigyelésekkel átfedésben lévő technikákat alkalmazva, 

hogy elérje a redundanciát – egy felbecsülhetetlen értékű technikát a szisztematikus hibák és a statisztikai anomáliák csökkentésére. Egy adott technika, például a cefeidák fényváltozásán alapuló számítások kizárásával minimális változást találtak az újonnan meghatározott Hubble-állandó összesített eredményeiben.

Az eddigi legpontosabb állandó ellenére is fennmaradt a Hubble-feszültség

A Lokális Távolsági Hálózat olyan égitestekre, úgynevezett horgonypontokra épít, amelyek távolságát geometriailag határozták meg a parallaxis segítségével, ami egy objektum helyzetének látszólagos változása a perspektíva megváltozásával. Ennek megfelelően a kutatók több lokális univerzum-horgonypontot használtak a minél pontosabb érték meghatározásához, köztük az NGC 4258 galaxist, amely több mint 20 millió fényévnyire található tőlünk, továbbá a Magellán-felhőket, amely egy körülbelül 200 000 fényévnyire fekvő törpegalaxis-pár; és számos változócsillagot a Tejútrendszeren belül. 

Mintegy 7500 galaxis adatait vonták be a kutatásba   Fotó: NASA/JPL

Ezután számos további pontosan ismert távolságú objektumot is bevettek a méréssorozatba, beleértve ebbe a haldokló öreg vörös óriáscsillagokat és a megamézereket, vagyis a szupermasszív fekete lyukak akkréciós korongjaiban keletkező intenzíven fényes kozmikus lézereket. A kutatók több mint 7500 galaxist is figyelembe vettek, amelyeket olyan nagy teljesítményű csillagászati eszközökkel figyeltek meg, mint a Hubble űrteleszkóp és a Sötét Energia Spektroszkópiai Műszer, több mint egymilliárd fényév távolságig bezárólag. Ennek eredményeként a tanulmányban megadott Hubble-állandó a jelenlegi legpontosabb közvetlen mérését jelenti a lokális univerzumban: 73,50 kilométer másodperc per megaparszek értékkel, 1,09 százalékos relatív bizonytalansággal. 

Egy különösen viselkedő szupermasszív fekete lyuk az NGC 4945 galaxis középpontjában    Fotó: ESO/C. Marconcini et al.

A mindeddig legpontosabb mérési eredményből is az következik, hogy Hubble-feszültség valós és hasonló a korábban mért értékekhez, tehát a feszültség okát illetően kizárható a mérési hiba. Az a tény, hogy ez az eltérés továbbra is fennáll, arra utalhat, hogy a korai univerzumbeli méréseket hasonlóan mélyebb szinten kell újraértékelni. „Egy érdekes, viszonylag új és talán természetesebb ötlet az ősi mágneses mezőkhöz kapcsolódik, amelyek megváltoztathatják a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban látható struktúra méretarányát” – magyarázta John Blakeslee, a tanulmány társszerzője, a NOIRLab kutatási és tudományos szolgáltatásokért felelős igazgatója. Így ez a kutatás is tovább erősíti azt az elképzelést, hogy új fizikára van szükség a sötét energia és az univerzum tágulását és a végső sorsát is befolyásoló egyéb erők megvilágításához. 

A feltételezett sötét anyag és  a sötét energia eloszlása az univerzumban   Fotó: TrendinTech

És mivel ez a keretrendszer moduláris, a következő generációs obszervatóriumokból származó adatok végre talán feloldhatják a Hubble-feszültséget – de hát pont ebben reménykednek a kozmológusok lassan már több mint egy évtizede.

A publikációt teljes terjedelmében és angol nyelven itt lehet elolvasni.

Az új tanulmány:

• minden korábbinál pontosabban határozta meg az univerzum tágulási sebességét,
• de ennek ellenére sem sikerült kiküszöbölni a Hubble-feszültséget,
• ami arra utal, hogy hiányos a jelenlegi kozmológiai standard modell.