Obliczą, jak szybko rośnie wszechświat. To dlatego Księżyc nam "odlatuje"?
Obliczenie dokładnego tempa rozszerzania się wszechświata jest problematyczne z powodu rozbieżności w pomiarach. W precyzyjnym wyznaczeniu tej prędkości, czyli stałej Hubble'a, kosmologom pomóc ma nadchodząca obserwacja światła supernowej SN Requiem - gwiazdy, która eksplodowała miliardy lat temu, a obraz tego zdarzenia powraca do nas wielokrotnie w efekcie soczewkowania grawitacyjnego. Na czym to dokładnie polega i czy wskutek tej zagadkowej kosmicznej ekspansji również Księżyc oddala się od Ziemi?
W skrócie
- Obserwacja czwartego pojawienia się światła supernowej SN Requiem ma umożliwić dokładniejsze wyznaczenie stałej Hubble'a i określenie tempa rozszerzania się wszechświata.
- Rozbieżności w pomiarach stałej Hubble'a wynikają z zastosowania dwóch głównych metod, które dają różne wyniki i prowadzą do tzw. napięcia Hubble'a, które naukowcy próbują rozwiązać przy użyciu nowych technik, takich jak kosmografia z opóźnieniem czasowym.
- Oddalanie się Księżyca od Ziemi nie jest skutkiem ekspansji wszechświata, lecz wynika z efektów pływów morskich związanych z oddziaływaniami grawitacyjnymi i ruchem obrotowym Ziemi.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu
Ten sam wybuch supernowej będzie obserwowany czwarty raz
Kosmolodzy i astronomowie z niecierpliwością wyczekują ponownego pojawienia się światła gwiazdy, która eksplodowała miliardy lat temu. Sherry Suyu, kosmolożka z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka, przewiduje, że supernowa znana jako SN Requiem rozbłyśnie na niebie po raz czwarty w ciągu najbliższych 2 lat. Choć gwiazda ta uległa zniszczeniu tylko raz, jej agonia jest odtwarzana wielokrotnie. Jak to możliwe?
Powtarzający się obraz wybuchu supernowej dociera do nas dzięki zjawisku soczewkowania grawitacyjnego. Potężna gromada galaktyk, znajdująca się między Ziemią a supernową, działa jak gigantyczne szkło powiększające, zaginając światło i zmuszając je do podróży różnymi trasami. Ponieważ każda z tych dróg ma inną długość, obrazy eksplozji docierają do nas w różnych odstępach czasu. Pierwsze trzy błyski zaobserwowano w 2016 roku. Obecnie naukowcy przygotowują się do uchwycenia kolejnej powtórki tego widowiska.
Naukowcy wypatrują obrazu zniszczenia sprzed miliardów lat przy użyciu Teleskopu Hubble'a oraz Teleskopu Jamesa Webba. Precyzyjne odnotowanie momentu ponownego pojawienia się SN Requiem ma jednak znaczenie dalece wykraczające poza samą obserwację rzadkiego zjawiska. Pozwoli ono na dokładne zmierzenie odległości do galaktyki macierzystej gwiazdy, co z kolei umożliwi precyzyjne wyliczenie stałej Hubble'a - parametru określającego tempo rozszerzania się wszechświata oraz jego wiek, który w przybliżeniu wynosi 13,8 miliarda lat.
Kosmolodzy mają sposób, by rozwiązać problem ze stałą Hubble'a
Stałą Hubble'a, czyli stała fizyczna określająca tempo rozszerzania się wszechświata, choć teoretycznie jest niezmienna, to jej dokładna wartość nie została jeszcze odkryta. Obecne szacunki podają jej wartość w przedziale ok. 67-68 lub 73-74 km/s/Mpc, czyli kilometrów na sekundę na megaparsek. Obie wartości obliczono z marginesem błędu rzędu ok. 1%. Problem z jednoznacznym wyznaczeniem tej wartości polega na tym, że obecnie istnieją dwie główne metody pomiaru i każda z nich daje inny wynik.
Ta rozbieżność w pomiarach doprowadziło do trwającego od dekady impasu zwanego napięciem Hubble'a. Tradycyjne metody, oparte na obserwacji obiektów w pobliskim wszechświecie, wskazują na szybszą ekspansję. Z kolei analizy mikrofalowego promieniowania tła, będącego echem Wielkiego Wybuchu, sugerują znacznie niższą wartość. Ta niezgodność podważa fundamenty współczesnej kosmologii, sugerując, że nasze rozumienie ciemnej materii i ciemnej energii może być niepełne.
Istnieją już jednak obiecujące sposoby na przełamanie tego impasu. Obejmują one m.in. metodę kosmografii z opóźnieniem czasowym, którą stosuje zespół Sherry Suyu. W przeciwieństwie do standardowych metod, ta "trzecia droga" nie opiera się na jasności gwiazd, która może być zaburzona przez pył kosmiczny, lecz na czystej geometrii i teorii grawitacji Einsteina.
Jeżeli supernowa SN Requiem rozbłyśnie na niebie jeszcze w 2026 roku, potwierdzi ona rację astronomów opowiadających się za szybszym tempem ekspansji. Jeśli jednak rozbłyśnie później, wzmocni pozycję zwolenników wolniejszego tempa. Nadchodzące lata mogą przynieść ostateczne rozwiązanie tego sporu, a pomogą w tym nowoczesne instrumenty pomiarowe. "Mamy teraz technikę czekającą w kulisach… i właśnie zamierzamy odsłonić kurtynę" - skomentował amerykański astrofizyk i noblista Saul Perlmutter.
Wszechświat jak balon z kropkami. Coś go ciągle nadmuchuje
Wszystkie wyliczenia i obserwacje astronomiczne wskazują na to, że wszechświat nie jest statycznym bytem, lecz dynamicznie rozszerzającą się przestrzenią. Choć nasze codzienne doświadczenie sugeruje, że świat wokół nas pozostaje niezmienny, to przestrzeń w rzeczywistości ma zdolność do rozszerzania się lub kurczenia pod wpływem materii i energii.
Doskonałą ilustracją tego procesu jest metafora nadmuchiwanego balonu pokrytego kropkami. W miarę jak balon wypełnia się powietrzem, wszystkie kropki oddalają się od siebie nawzajem. W skali kosmicznej tymi kropkami są galaktyki, a ich ruch nie wynika z przemieszczania się przez próżnię, lecz z faktu, że przestrzeń między nimi ulega ciągłemu rozciągnięciu.
Naukowcy nie wiedzą dokładnie, dlaczego tak się dzieje. Możliwym wyjaśnieniem jest ciemna energia, stanowiąca około 68% wszystkiego, co istnieje. Jest to właściwie robocza nazwa dla tajemniczej siły, która wypełnia całą przestrzeń i rozpycha ją od środka. Jej natura wciąż pozostaje zagadką. Czy to również z tego powodu Księżyc powoli nam ucieka?
Księżyc oddala się od Ziemi. Ale nie wskutek kosmicznej ekspansji
Księżyc oddala się od Ziemi w tempie około 3,8 cm rocznie. Nie jest to jednak spowodowane rozszerzaniem się wszechświata, które jest zjawiskiem obserwowanym w ogromnych skalach kosmologicznych - między galaktykami, które nie są ze sobą związane grawitacyjnie. W mniejszych skalach, takich jak nasz Układ Słoneczny czy nawet nasza galaktyka, grawitacja jest na tyle silna, że przeciwdziała sile rozciągającej wynikającej z ekspansji. Grawitacja działająca niczym kosmiczny klej, a także znacznie silniejsze od niej wiązania chemiczne między cząstkami, zapobiegają rozpadowi planet czy księżyców.
Mimo to jednak odległość do Księżyca stale rośnie. Odpowiadają za to pływy morskie. Ponieważ Księżyc przyciąga masy wody na Ziemi, tworzy na jej powierzchni charakterystyczne wybrzuszenia pływowe. Gdyby Ziemia stała w miejscu, wybrzuszenia te znajdowałyby się dokładnie na linii łączącej środki obu ciał. Nasza planeta obraca się jednak wokół własnej osi znacznie szybciej, niż Księżyc okrąża Ziemię, co powoduje, że rotacja planety "przepycha" te masy wody nieco do przodu, przed aktualną pozycję Księżyca.
Ta przesunięta masa wody wywiera na Księżyc dodatkowe przyciąganie grawitacyjne, które działa jak niewidzialna lina ciągnąca go do przodu na jego orbicie. W fizyce takie pociągnięcie oznacza przekazanie energii orbitalnej. Księżyc przyspiesza, a zgodnie z prawami mechaniki nieba obiekt o większej energii musi poruszać się po szerszej orbicie. Jednocześnie dochodzi do zachowania momentu pędu w całym układzie, co odbywa się kosztem rotacji Ziemi. Tarcie mas wody o dno oceanów sprawia, że nasza planeta bardzo powoli wyhamowuje, a "skradziona" w ten sposób energia pozwala Księżycowi na powolną ucieczkę w głąb kosmosu.
Choć Księżyc się oddala, prawdopodobnie nigdy nie opuści pola grawitacyjnego Ziemi. Zanim mogłoby do tego dojść, za 5 miliardów lat nastąpi śmierć Słońca. Pewne zmiany nastąpią jednak dużo wcześniej. Za 600 mln lat będzie miało miejsce ostatnie całkowite zaćmienie Słońca, bowiem Księżyc na niebie stanie się za mały, by je przesłonić. Ponadto wskutek spowolnionego ruchu obrotowego Ziemi doba będzie się nadal wydłużać. Około 200 mln lat temu doba trwała ok. 23 godzin, dziś trwa 24 godziny, a za kolejne 180-200 mln lat trwać będzie już 25 godzin. Pytanie, czy na Ziemi będą jeszcze żywe istoty zdolne tego doświadczyć.
Źródła:
- D. Clery. Cosmic illusions. Reappearing flashes from deep space, lensed by gravity, could resolve a dispute over the speed of the expanding universe. Science (2026). doi: 10.1126/science.z8h9yll
- V. Scottez. How do we know the Universe is expanding?. Euclid Consortium (2023).
- S. DiKerby. The moon is getting slightly farther away from the Earth each year - a physicist explains why. Space (2025).
