Įsivaizduok situaciją: du skirtingi, nepriklausomi ir itin tikslūs matavimo metodai bando atsakyti į vieną klausimą – kiek greitai plečiasi visata (panašiai kaip naujausias astronomų atradimas, netelpantis į žinomas kategorijas). Abu metodai turi mažytę paklaidą, abu patikrinti dešimtis kartų skirtingomis komandomis skirtinguose žemynuose. Ir vis tiek jie duoda skirtingus atsakymus. Tai ne mokslo populiarinimo perdėjimas – tai reali, neišspręsta problema, kurią kosmologai vadina Hubble įtampa (angl. Hubble tension), ir ji jau seniai peržengė ribą, kai galima nurašyti į matavimo klaidą.
Kodėl šis klausimas apskritai iškilo
Nuo 1990-ųjų žinoma, kad visata ne tik plečiasi, bet ir plečiasi vis greičiau. Šį atradimą 1998 metais padarė dvi konkuruojančios astronomų komandos, stebėdamos tolimus sprogstančius senų žvaigždžių branduolius – Ia tipo supernovas. Viena iš tų komandų vadinosi „High-Z Supernova Search Team”, jai priklausė ir jaunas astrofizikas Adamas Riessas. Rezultatas, kurį jis gavo apskaičiavęs duomenis, jam pačiam pasirodė absurdiškas – visatos plėtimasis ne lėtėjo, kaip tikėtasi dėl gravitacijos traukos, o spartėjo. Riessas ilgai ieškojo savo skaičiavimų klaidos, nes buvo tikras, kad kažką sumaišė. Klaidos nerado – nei jis, nei kolegos, patikrinę jo darbą iš naujo. 2011 metais už šį atradimą jis su kolegomis gavo Nobelio premiją.
Spartėjimą paaiškinti bandoma vadinamąja tamsiąja energija – paslaptinga jėga, kuri, priešingai įprastai gravitacijai, ne traukia, o stumia visatos audinį į plotį. Einšteinas tokią galimybę numatė dar savo bendrosios reliatyvumo teorijos lygtyse, tik pats ją pavadino savo didžiausia klaida, nes ja bandė (kaip vėliau paaiškėjo, nesėkmingai) įrodyti, jog visata yra statiška. Ironiška, bet po aštuoniasdešimties metų paaiškėjo, kad Einšteinas buvo teisus dėl matematikos, tik neteisus dėl to, kam ją pritaikė.
Kas yra Hubble konstanta ir kodėl dėl jos tiek triukšmo
Visatos plėtimosi greitis matuojamas dydžiu, vadinamu Hubble konstanta – ji parodo, kiek greičiau tolsta erdvė kiekvienam papildomam atstumo vienetui (megaparsekui). Šis skaičius yra tarsi visatos amžiaus atvirkštinė reikšmė – jį žinant, galima apskaičiuoti, kiek metų praėjo nuo Didžiojo sprogimo.
Yra du principiškai skirtingi būdai šiam skaičiui nustatyti. Pirmasis – stebėti kosminę mikrobangų foną, tai yra „vaikišką visatos nuotrauką”, užfiksuotą praėjus vos kelioms šimtoms tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo. Iš šios nuotraukos, žinant tikslią visatos sudėtį, galima matematiškai apskaičiuoti, kiek greitai visata turėtų plėstis šiandien. Šis metodas, remiantis Europos kosmoso agentūros palydovo „Planck” duomenimis, duoda rezultatą apie 67 kilometrus per sekundę kiekvienam megaparsekui.
Antrasis metodas – tiesiogiai matuoti dabartinę visatą, stebint artimesnius objektus: pulsuojančias žvaigždes (cefeidus) ir Ia tipo supernovas, veikiančias kaip vadinamosios „standartinės žvakės”. Kadangi šios supernovos sprogdamos beveik visada išspinduliuoja panašų energijos kiekį, jų regimasis ryškumas leidžia gana tiksliai apskaičiuoti atstumą – lygiai taip pat, kaip laivo kapitonas nustato atstumą iki švyturio pagal tai, koks jis atrodo blankus. Šis tiesioginis metodas nuosekliai duoda kitokį rezultatą – apie 73 kilometrus per sekundę megaparsekui.
Skirtumas atrodo nedidelis – kokie 8–9 procentai. Bet abiejų metodų paklaidos tokios mažos, kad statistiškai šis skirtumas jau seniai peržengė vadinamąją penkių sigmų ribą – tą tašką, kuriame fizikai nustoja kalbėti apie atsitiktinumą ir pradeda kalbėti apie realią problemą.
Kodėl tai nėra tiesiog matavimo klaida
Natūrali pirma mintis – kažkas tiesiog blogai išmatavo. Tačiau čia slypi esmė: per pastarąjį dešimtmetį šis skirtumas ne sumažėjo tikslinant matavimus, o padidėjo. Riessas, dabar naudodamasis „James Webb” kosminiu teleskopu vietoje senesnio „Hubble”, gauna tą patį rezultatą, kaip ir anksčiau. Kosminio mikrobangų fono tyrėjai, tikrindami savo duomenis vis tiksliau, taip pat gauna tą patį skaičių, kaip ir anksčiau. Abi pusės atliko nepriklausomus patikrinimus – skirtingais teleskopais, skirtingomis komandomis, skirtingais metodais – ir niekas iki šiol nerado techninės klaidos, kuri paaiškintų skirtumą.
Tai nereiškia, kad klaidos apskritai negalima rasti – mokslo istorija pilna atvejų, kai panašios „įtampos” ilgainiui pasirodydavo esančios tiesiog instrumentų netikslumas. Bet po dešimtmečio kruopštaus tikrinimo tikimybė, kad Hubble įtampa yra vien tik matavimo artefaktas, tampa vis mažesnė.
Kai standartinis modelis pradeda springti
Šiuolaikinė kosmologija remiasi vadinamuoju Lambda-CDM modeliu – standartiniu visatos aprašymu, kuriame apie 5 procentus visatos sudaro įprasta, mums pažįstama medžiaga, apie 25–27 procentus – tamsioji medžiaga, o likusius 68–70 procentų – tamsioji energija. Šis modelis veikia stulbinamai gerai: jis paaiškina cheminių elementų gausą, kosminio mikrobangų fono struktūrą, galaktikų spiečių formavimąsi. Riessas pats pripažįsta, kad modelis išgyveno dvidešimt penkerius metus vis tikslesnių eksperimentų ir nesugriuvo – tai retas pasiekimas mokslo istorijoje.
Bet būtent todėl Hubble įtampa tokia svarbi. Jei modelis toks tikslus visame kame kitame, kodėl jis klysta būtent skaičiuojant dabartinį plėtimosi greitį? Vienas paaiškinimas – gal tamsioji energija nėra pastovus dydis, koks laikoma pagal paprasčiausią modelio versiją, o kinta laike. Šią mintį iš dalies patvirtina ir kito didelio eksperimento, DESI, duomenys, matuojantys trimatį galaktikų pasiskirstymą visatoje – jie taip pat rodo užuominų, kad tamsioji energija galėjo elgtis kitaip nei numato standartinis modelis. Yra ir kitų neatitikimų – pavyzdžiui, medžiagos „gumuluotumas” ankstyvojoje visatoje pasirodo esantis mažesnis, nei modelis prognozuoja.
Riessas šiuos neatitikimus vadina galimais įtrūkimais standartiniame modelyje. Klausimas, ar tai tik pavieniai siūlai, kuriuos ištraukus niekas nepasikeičia, ar tai pradžia proceso, kuris ilgainiui išnarplios visą megztinį – kaip kadaise Niutono gravitacijos teoriją pakeitė Einšteino bendroji reliatyvumo teorija.
Istorinė analogija, kuri tinka geriau, nei norėtųsi
Pats Riessas savo pokalbyje su Quanta Magazine žurnalistu Stevenu Strogatzu pasitelkia gražią XIX amžiaus astronomijos analogiją. Kai astronomai pastebėjo, kad planeta Uranas juda ne taip, kaip numato Niutono gravitacijos dėsniai, jie apskaičiavo, kur turėtų būti nematoma planeta, traukianti Uraną – ir taip atrado Neptūną. Niutono teorija pasirodė esanti teisinga, tiesiog trūko vieno duomens.
Tačiau kai panašus scenarijus pasikartojo su planeta Merkurijumi – jos orbita keistai svyravo, nepaklusdama Niutono skaičiavimams – astronomai pritaikė tą pačią logiką ir ieškojo tariamos planetos, pavadintos Vulkanu, tarp Merkurijaus ir Saulės. Vulkano niekas niekada nerado. Praėjus penkiasdešimčiai metų Einšteinas parodė, kad Merkurijaus orbitos keistenybę paaiškina ne trūkstama planeta, o pati gravitacijos prigimtis, kurią reikėjo perrašyti iš esmės.
Riessas sąžiningai pripažįsta – jis nežino, kuris scenarijus tinka Hubble įtampai. Ar tai bus savas „Neptūnas” – nedidelė pataisa, po kurios standartinis modelis vėl suveiks tobulai? Ar tai bus savas „Merkurijus” – ženklas, kad reikia iš naujo permąstyti pačią tamsiosios energijos prigimtį? Šiuo metu niekas negali atsakyti tikrai, ir bet kuris mokslininkas, tvirtinantis priešingai, greičiausiai bando parduoti straipsnį, o ne tiesą.
Kodėl skepticizmas čia visiškai pagrįstas
Nesunku suprasti žmones, kurie, išgirdę žodžius „tamsioji medžiaga” ir „tamsioji energija”, įtaria, kad mokslininkai tiesiog užpildo nežinojimo spragas gražiais pavadinimais. Iš tiesų apie 95 procentus visatos sudėties fizikai apibūdina kategorijomis, kurių fizinės prigimties nesupranta – žino tik, kaip šios kategorijos veikia gravitaciškai, bet ne iš ko jos sudarytos. Skambant tai gali priminti pseudomokslą.
Bet čia esminis skirtumas: mokslininkai neišsigalvoja šių sąvokų iš oro – jos atsiranda kaip būtina matematinė pasekmė, kurią reikia įtraukti, kad modelis sutaptų su tikrais stebėjimo duomenimis. Ir svarbiausia – šie skaičiavimai kryžmiškai tikrinami dešimtimis nepriklausomų komandų, naudojant skirtingus teleskopus ir skirtingus metodus. Kai vienas mokslininkas paskelbia rezultatą, kiti bando jį paneigti – ir jei nepavyksta, rezultatas įgyja svorio. Tai priešingybė aklam tikėjimui: čia kiekvienas skaičius nuolat atakuojamas iš visų pusių, ir jis išlieka tik jei atlaiko šią ataką.
Skepticizmas dėl paties Riesso motyvacijos
Vertas dėmesio ir vienas nepatogus, bet svarbus faktas: garsiausias balsas, keliantis triukšmą dėl Hubble įtampos, yra tas pats žmogus, kuris 1998 metais atrado spartėjantį visatos plėtimąsi ir už tai gavo Nobelio premiją. Skeptikas galėtų paklausti – ar Riessui tiesiog naudinga toliau kalbėti apie savo srities anomalijas, kad išliktų aktualus po Nobelio premijos? Klausimas teisėtas, bet atsakymas jį nuvilia: Hubble įtampą fiksuoja ne vien Riesso komanda, o dešimtys nepriklausomų grupių visame pasaulyje, naudojančių skirtingus instrumentus ir skirtingus metodus. Jei tai būtų vieno žmogaus užsispyrimas, kiti kosmologai jį seniai būtų nuginčiję – konkurencija šioje srityje negailestinga, o reputacija priklauso nuo to, kiek greitai randi kolegos klaidą, o ne nuo to, kiek gerai jam pataikauji.
Kas laukia toliau
Sprendimą šiai galvosūkiui turėtų padėti rasti kelios naujos observatorijos, kurios per artimiausius metus pradės arba jau pradėjo veikti. Vera Rubin observatorija – didžiausias plataus rakurso žemės paviršiaus teleskopas – jau renka duomenis. Europos kosmoso agentūros palydovas „Euclid” neseniai pradėjo darbą orbitoje. O rugsėjį NASA turėtų paleisti „Nancy Grace Roman” kosminį teleskopą, kuris per vieną kadrą fiksuos maždaug šimtą kartų platesnį regėjimo lauką nei „Hubble” ir dirbs apie tūkstantį kartų greičiau. Tokio masto duomenų srautas per artimiausią dešimtmetį turėtų arba sustiprinti Hubble įtampą iki taško, kai standartinį modelį teks perrašyti iš esmės, arba parodyti subtilų sisteminį netikslumą, kurio niekas iki šiol nepastebėjo.
Kodėl šis ginčas verta stebėti net nefizikams
Galima paklausti – kam paprastam žmogui rūpi, ar visata plečiasi 67, ar 73 kilometrais per sekundę kiekvienam megaparsekui? Atsakymas paprastas: jei paaiškės, kad reikia iš esmės keisti tamsiosios energijos sampratą, tai bus ne kosmetinis pataisymas fizikos vadovėlyje, o įvykis, prilygstantis Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos atsiradimui – kartą per šimtmetį pasitaikantis lūžis, po kurio pasikeičia pats būdas, kaip suprantame visatos praeitį, dabartį ir ateitį. O jei paaiškės, kad tai tik subtili matavimo klaida – tai irgi bus svarbi pamoka apie tai, kaip atrodo tikras mokslinis kruopštumas, kai instrumentai tikrinami dešimt kartų, kol pasitikima rezultatu.
Kol kas aišku viena: standartinis kosmologijos modelis, per dvidešimt penkerius metus atlaikęs beveik viską, ką jam metė vis tikslesni teleskopai, dabar susidūrė su neatitikimu, kurio negalima nurašyti į atsitiktinumą. O tai reiškia, kad artimiausias dešimtmetis kosmologijoje bus vienas įdomiausių per pastaruosius kelis dešimtmečius – nesvarbu, kuri pusė galiausiai pasirodys teisi.
Daugiau apie mokslą – skiltyje Mokslas.
Šaltiniai: Quanta Magazine, NASA, Europos kosmoso agentūra (ESA), Nobelio premijos komitetas
Dažniausiai užduodami klausimai
Kas yra Hubble įtampa ir kodėl ji kelia tokius didelius ginčus mokslo pasaulyje?
Hubble įtampa yra neišspręsta problema, kai du nepriklausomi visatos plėtimosi greičio matavimo metodai duoda skirtingus rezultatus. Kosminio mikrobangų fono tyrimai rodo apie 67 kilometrų per sekundę megaparsekui greitį, o tiesioginiai supernovų stebėjimai pateikia maždaug 73 kilometrų per sekundę rezultatą. Šis statistinis neatitikimas jau peržengė penkių sigmų ribą, todėl jo nebegalima nurašyti į atsitiktines matavimo klaidas.
Kodėl mokslininkai teigia, kad Hubble įtampa nėra paprasta matavimo klaida?
Per pastarąjį dešimtmetį šis skirtumas ne sumažėjo, o padidėjo, nors duomenys buvo tikrinami naudojant vis pažangesnius instrumentus, tokius kaip James Webb kosminis teleskopas. Abi nepriklausomos tyrėjų pusės atliko daugybę patikrinimų skirtingais metodais ir nerado jokių techninių klaidų. Dėl to tikimybė, kad Hubble įtampa yra vien tik matavimo artefaktas, su kiekvienais metais tampa vis mažesnė.
Kaip nauji teleskopai ir observatorijos padės išspręsti šią visatos plėtimosi problemą?
Artimiausiu metu pradėjusios veikti naujos observatorijos ir teleskopai, įskaitant Vera Rubin observatoriją bei kosminius aparatus Euclid ir Nancy Grace Roman, pateiks milžiniškus duomenų srautus. Šis didžiulis informacijos kiekis per ateinantį dešimtmetį turėtų arba sustiprinti Hubble įtampą iki taško, kai reikės iš esmės perrašyti standartinį kosmologijos modelį, arba atskleisti subtilų iki tol nepastebėtą sisteminį netikslumą.
