Vítejte u dnešní epizody popularizačního podcastu o vesmíru. Dnes se vydáme za jednou z největších záhad moderní kosmologie – takzvaným Hubbleovým napětím. Co to vlastně je? Představte si, že se snažíte změřit, jak rychle se náš vesmír rozpíná, a použijete dvě různé metody. K vašemu překvapení ale dostanete dvě odlišné odpovědi. Právě tento rozpor ve výsledcích nazývají vědci Hubbleovo napětí. Jde o nesoulad v hodnotě tzv. Hubbleovy konstanty – čísla, které udává rychlost rozpínání vesmíru. Proč je to důležité? Protože rychlost rozpínání ovlivňuje odhad stáří vesmíru, jeho složení i budoucí osud. Pokud se nemůžeme shodnout na její hodnotě, možná nám uniká něco zásadního o povaze vesmíru. Hubbleovo napětí tak otevírá otázku: Je náš současný kosmologický model neúplný, nebo děláme chybu v měření?
Dnes si vysvětlíme, jak tenhle problém vznikl, proč vzbuzuje tolik pozornosti a jak by mohl přepsat učebnice fyziky.
Hubbleův teleskop a první náznak problému
Nejprve se podívejme, jak Hubbleovo napětí vyšlo najevo. Asi víte, že vesmír se rozpíná – galaxie se od sebe vzdalují. Už ve 20. letech 20. století astronom Edwin Hubble zjistil, že vzdálenější galaxie se vzdalují rychleji, což vedlo k pojmu Hubbleova konstanta – míra expanze vesmíru. Moderní astronomové se pak desetiletí snaží tuto konstantu co nejpřesněji změřit. K tomu využívají tzv. kosmologický žebřík vzdáleností: napříkladCefeidy (pulzující hvězdy s periodou zářící jasnosti) a supernovy typu Ia (gigantické výbuchy hvězd), které slouží jako standardní svíčky – objekty s dobře známou svítivostí. Pomocí Hubbleova vesmírného dalekohledu (HST) se podařilo za 30 let nashromáždit obrovské množství dat o těchto objektech v blízkém vesmíru. Výsledek? Hubbleův teleskop určil hodnotu Hubbleovy konstanty z lokálních měření na zhruba 73 km/s/Mpc (kilometrů za sekundu na megaparsek). To znamená, že na každých 3,26 milionu světelných let vzdálenosti se rychlost, kterou se galaxie vzdaluje, zvětší o 73 km/s. Jenže zatímco astronomové touto metodou dostali číslo kolem 73, jiný přístup dával jiné číslo. Existuje totiž druhý, zcela odlišný způsob, jak odhadnout rychlost rozpínání – pohledem do hluboké minulosti vesmíru. Kosmologové zkoumají například reliktní záření (mikrovlnné záření na pozadí vesmíru, které je pozůstatkem po velkém třesku) a jeho nepravidelnosti. Družice Planck Evropské kosmické agentury změřila toto prastaré světlo s velkou přesností a pomocí dobře ověřeného standardního kosmologického modelu (tzv. model ΛCDM zahrnující běžnou hmotu, temnou hmotu a temnou energii) z něj odvodila, jaká by měla být Hubbleova konstanta dnes. Hodnota vyšla asi 67–68 km/s/Mpc . A tady nastal problém: 67 není 73. Rozdíl kolem 5–6 km/s/Mpc (což je zhruba 8–9 % hodnoty) je příliš velký na to, aby šlo jen o náhodu nebo statistickou chybu. Jinými slovy, dvě různé metody dávají odlišné výsledky – přibližně 67 vs. 73 – a tento rozpor začal vědcům vrtat hlavou. Právě tento rozdíl v rychlostech rozpínání je známý jako Hubbleovo napětí
Pro upřesnění: pokud by náš kosmologický model byl naprosto správný a měření precizní, obě metody by měly dát stejnou hodnotu Hubbleovy konstanty. Skutečnost, že se liší, znamená, že buď a) někde v měřeních děláme chybu (například nějaký systematický efekt ovlivňuje data), nebo b) v našem chápání vesmíru něco chybí – možná nějaká nová fyzika, která způsobuje, že se vesmír rozpíná rychleji, než jsme čekali. To je důvod, proč je Hubbleovo napětí tak důležité: může nás upozorňovat na zásadní nedostatek v našich teoriích o vesmíru.
James Webb a potvrzení kosmického rozporu
Když astronomové objevili tento nesoulad, první otázka zněla: Neudělali jsme někde chybu? Mohlo by být například něco špatně s měřeními Hubbleova teleskopu? HST je úžasný přístroj, ale má svá omezení – pozoruje převážně ve viditelném oboru a při pohledu na velmi vzdálené galaxie může dojít k tomu, že jas cefeid ovlivňuje i světlo sousedních hvězd či prach v galaxii. Možná tedy naše “metr” nebyl úplně spolehlivý. Vědci proto netrpělivě čekali na novou generaci přístrojů, zejména na Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST), který od konce roku 2021 zkoumá vesmír v infračerveném oboru. Webbův teleskop má mnohem ostřejší zrak v infračerveném světle než HST, takže dokáže lépe rozlišit vzdálené pulzující hvězdy (cefeidy) od okolních hvězd a proniknout prachem. Vědci doufali, že Webb buď potvrdí Hubbleova měření, nebo odhalí nějaký skrytý omyl, který by spor vysvětlil.
A jak to dopadlo?
JWST nezklamal – a zároveň všechny šokoval. Během roku 2023 použil tým vědců pod vedením Adama Riesse (držitele Nobelovy ceny za objev zrychlujícího se rozpínání vesmíru) čas na Webbově teleskopu, aby přeměřil klíčové “milníky” vesmírného žebříku vzdáleností. Zaměřili se na stejné galaxie, kde Hubbleův teleskop měřil cefeidy a supernovy, a překontrolovali jejich vzdálenosti hned několika nezávislými metodami. Výsledky z obou teleskopů se velmi těsně shodují – Webb naměřil Hubbleovu konstantu ~72,6 km/s/Mpc, zatímco Hubble dříve ~72,8 km/s/Mpc pro tytéž galaxie. Jinak řečeno, James Webb potvrdil, že měření HST byla správná. Žádná velká skrytá chyba se nenašla. Jakmile vědci viděli, že výsledky z obou zařízení souhlasí, s velkou pravděpodobností tím vyloučili chybu v původních datech. Tento závěr podtrhl i Riessův tým: díky Webbovým pozorováním teď mohou s vysokou jistotou vyloučit chybu měření jako příčinu Hubbleova napětí. To je nesmírně důležité – znamená to, že spor není jen zdánlivý či způsobený naším špatným měřením. Hubbleovo napětí je reálné a musíme ho vysvětlit jinak.
Důsledky pro kosmologii – potřebujeme novou fyziku?
Takže měření naznačují, že vesmír se opravdu rozpíná rychleji, než bychom čekali na základě dosavadních teorií. Co to znamená pro kosmologii a fyziku? Pokud nejsou na vině přístroje, musí být problém v našich modelech vesmíru. Standardní kosmologický model, který zatím úspěšně vysvětloval spoustu jevů od reliktního záření po vznik galaxií, možná neobsahuje něco podstatného. Hodnota Hubbleovy konstanty odvozená z tohoto modelu (za předpokladu, že vesmír obsahuje určitý podíl temné hmoty, temné energie atd.) byla kolem 67 km/s/Mpc – avšak pozorování ukazují ~73 km/s/Mpc. Rozpíná se tedy rychleji, než teorie předpovídá. Jak trefně uvádí jedno popularizační shrnutí, zdá se, že ve vesmíru působí síly, o nichž zatím nevíme. To je pro vědce vzrušující i znepokojivé zároveň. Mohlo by to znamenat, že v raném vesmíru nebo v jeho složení je něco navíc, co jsme dosud neobjevili – něco, co urychluje expanzi.
Taková situace není v historii vědy nová. Připomeňme, že už na konci 90. let objevili astronomové zrychlování rozpínání vesmíru a museli zavést pojem temná energie, aby to vysvětlili. Tehdy to byl obrovský průlom, který ukázal, že 95 % obsahu vesmíru (temná energie + temná hmota) je pro nás vlastně “neviditelných”. Nyní Hubbleovo napětí možná ukazuje na další překvapení. Někteří vědci hovoří dokonce o “krizi v kosmologii”, protože pokud se rychle nenajde triviální vysvětlení, bude nutné upravit nebo rozšířit současné teorie. To by samozřejmě bylo velmi vzrušující – znamenalo by to novou fyziku, nové částice nebo interakce, které doposud unikaly naší pozornosti.
Jaké jsou možné teorie vysvětlení?
Vědci nenechávají Hubbleovo napětí jen tak a začali přicházet s různými hypotézami, jak rozpory vysvětlit. Zkusme si uvést několik možností, o kterých se diskutuje:
Raná temná energie: Jedna z elegantních teorií říká, že krátce po velkém třesku mohl vesmír prodělat epizodu s dodatečnou formou temné energie. Této hypotetické složce se říká raná temná energie. Působila by jen v prvních tisících letech vesmíru a způsobila by o něco rychlejší expanzi v té době space.com . Když pak kosmologové počítají expanzi z údajů reliktního záření bez zahrnutí této epizody, mohou dostat nižší hodnotu Hubbleovy konstanty, než je ve skutečnosti. Přidání rané temné energie do modelu by mohlo ten rozdíl odstranit space.com , aniž by rozhodilo ostatní úspěšné předpovědi modelu. Tato teorie je zatím jen ve fázi rozpracování, ale patří k vážně zvažovaným kandidátům.
Neznámé částice nebo pole: Další možností je, že v raném vesmíru existovala nějaká dosud neobjevená částice či pole, které ovlivnilo jeho vývoj insmart.cz . Může jít například o nějaký druh neutrína či jiné exotické částice, která zrychlila expanzi, nebo obecněji o novou fyziku v raném vesmíru. Pokud by například existovalo více druhů částic či jiné interakce, než se domníváme, mohlo by to mírně poupravit odhady z reliktního záření tak, aby se shodovaly s lokálním měřením.
Upravená teorie gravitace: Za zmínku stojí i odvážnější nápady, že by mohlo jít o náznak, že Einsteinova obecná relativita (teorie gravitace) nemusí na největších škálách vesmíru platit úplně přesně. Existují alternativní gravitační teorie (například MOND – Modifikovaná newtonovská dynamika, a další rozšíření), které se snaží vysvětlit kosmologické jevy bez nutnosti temné hmoty či s odlišnou fyzikou. Pokud by se gravitace v minulosti či na velkých vzdálenostech chovala trochu jinak, mohlo by to také vést k nesouladu v hodnotách Hubbleovy konstanty mff.cuni.cz . Tyto myšlenky jsou však velmi spekulativní a zatím nemají silnou oporu v datech.
Dosud neodhalené systematické chyby: Ačkoliv nejnovější měření HST a JWST vyloučila velkou chybu v první příčce žebříku (měření cefeid) science.nasa.gov , je možné, že někde jinde v analýze dat mohou být drobné neznámé chyby. Mohlo by jít o kombinaci více drobných nepřesností napříč různými stupni měření, které by se sčítaly. Někteří vědci tedy pokračují v kontrolách všech článků řetězce měření – od kalibrace jasností hvězd, přes výběr vhodných objektů, až po statistické metody vyhodnocení. Zatím se však zdá, že aby byly výsledky 67 a 73 sladěny, musely by se nezávisle mýlit hned několik technik i přístrojů zároveň, což je považováno za nepravděpodobné insmart.cz . Přesto vědci tuto možnost nepodceňují a dál sbírají data pro ještě přesnější ověření.
Samozřejmě těch teorií existuje více a jsou různě složité. Důležité je, že žádná z nich zatím nezískala rozhodující důkaz. Jsme v situaci, kdy máme hádanku a několik možných řešení, ale potřebujeme více indicií, abychom zjistili, které je správné.
Závěr – Co nás čeká dál?
Hubbleovo napětí zatím přetrvává jako otevřený problém. Co to znamená pro budoucnost výzkumu vesmíru? Především to, že kosmologové mají před sebou vzrušující úkol. Budou pokračovat ve shromažďování nových dat a testování výše zmíněných teorií. Na obzoru jsou nové observatoře a projekty, které mohou do problému vnést více světla. Například vesmírný dalekohled Nancy Grace Roman (plánovaný na konec desetiletí) nebo projekt Euclid (evropská mise, která již odstartovala v roce 2023) budou měřit kosmologické parametry s bezprecedentní přesností. Také gravitační vlny z vesmírných kataklyzmat (jako srážky neutronových hvězd) slibují nezávislý způsob měření expanze vesmíru pomocí tzv. standardních sirén – možná tak získáme třetí metodu pro určení Hubbleovy konstanty, která pomůže rozsoudit stávající spor.
Vědci rovněž spoléhají na to, že delší pozorování JWST zpřesní měření a možná odhalí jemné nuance. Pokud by se nakonec potvrdilo, že Hubbleovo napětí skutečně vyžaduje novou fyziku, mohli bychom stát před revolucí v kosmologii. Objevily by se nové částice, nové interakce nebo zcela nový pohled na počátky vesmíru. To vše by prohloubilo naše chápání toho, z čeho se vesmír skládá a jak se vyvíjí. Na druhou stranu, pokud se ukáže, že šlo o nějaký přehlédnutý detail či kombinaci měřicích nepřesností, i tak se poučíme a upřesníme naše metody – což je také vítězství, protože věda se tím stává spolehlivější.
Ať už bude konečné rozuzlení jakékoli, příběh Hubbleova napětí nádherně ilustruje, jak věda funguje. Když narazíme na nesrovnalost, neignorujeme ji, ale snažíme se ji vysvětlit – ať to má vést k opravě našich přístrojů, nebo k přepsání učebnic. V tuto chvíli Hubbleovo napětí kosmology motivuje ke kreativitě a pečlivosti. Je to připomínka, že ve vesmíru na nás možná čekají ještě nejedna překvapení. Pro nás laiky je to zase vzrušující zpráva, že ani ve zdánlivě dobře prozkoumaném vesmíru zdaleka nevíme všechno.
Děkujeme, že jste si poslechli dnešní díl. Doufejme, že brzy uslyšíme o novinkách, které tuhle záhadu posunou blíž k rozluštění. Do té doby nezapomínejme s úžasem vzhlížet k obloze – vesmír nám stále šeptá svá tajemství a čeká, až je rozluštíme.
(Zdroj informací: NASA, ESA, JWST a HST pozorování, a odborné články shrnuté popularizačně například v InSmart.cz, NASA Blogs a Space.com)
