Zgodnie z przyjmowanymi obecnie modelami kosmologicznymi, nasz Wszechświat nieustannie się rozszerza, a tempo tego rozszerzania wciąż rośnie. Pomiar tej wartości stanowi jednak duże wyzwanie dla naukowców, dlatego poszukiwane są nowe metody, takie jak badania tzw. kompaktowych galaktyk reliktowych. W opublikowanej właśnie pracy, zespół badaczy z Zakładu Astrofizyki Narodowego Centrum Badań Jądrowych wskazał, że te niezwykłe obiekty mogą umożliwić dokładniejsze wyznaczenie szybkości, z jaką rozszerza się Wszechświat.

Ostatnie dekady przyniosły gwałtowny rozwój wielu dziedzin nauki, w tym kosmologii. Ogromna ilość danych, jakich dostarczyły i nadal dostarczają eksperymenty i obserwacje nieba pozwoliły na stworzenie modeli, których celem jest jak najwierniejsze opisanie zasad, którymi rządzi się nasz Wszechświat. Jednym z wiodących modeli jest ΛCDM, łączący stałą kosmologiczną Λ, która odpowiada za przyspieszające rozszerzanie, z zimną ciemną materią (CDM), która oddziałuje grawitacyjne z materią barionową i odpowiada za wielkoskalowe efekty, które obserwujemy.

Nowoczesne modele wciąż jednak zawierają elementy, które nie zostały dotąd jednoznacznie określone. Należy do nich np. stała Hubble’a. Jest to wartość, która opisuje szybkość z jaką galaktyki się od siebie oddalają w zależności od wieku Wszechświata. Wartość stałej Hubble’a została wyznaczona przez wiele zespołów badawczych, korzystając z różnych metod, m.in. pomiarów obiektów o niskim przesunięciu ku czerwieni (cefeidy, supernowe typu 1a), czy mikrofalowego promieniowania tła (CMB). Otrzymane wyniki różnią się jednak na poziomie 4σ, dlatego poszukiwane są nowe, niezależne metody, które wezmą pod uwagę dodatkowe efekty i zmniejszą niepewności otrzymywanych rezultatów.

Wśród takich metod znalazł się tzw. kosmiczny zegar (cosmic chronometer, CC), który bazuje na pomiarze różnicy wieku galaktyk pasywnych, czyli takich, w których ustały procesy gwiazdotwórcze. Dotychczas w tym celu badano masywne galaktyki eliptyczne, tzw. galaktyki wczesnego typu, jednak ich ewolucja często zawiera zderzenia z innymi galaktykami, co może wprowadzać dodatkowe populacje młodych gwiazd bądź powodować nowe procesy gwiazdotwórcze, co ogranicza ich wykorzystanie w tej metodzie. Zespół badaczy z Zakładu Astrofizyki NCBJ znalazł alternatywne podejście – wykorzystali oni rzadką podkategorię galaktyk, znanych jako masywne, kompaktowe galaktyki reliktowe. Obiekty te pochodzą od tzw. czerwonych nuggetów, w których po wczesnym etapie gwiazdotwórczym następowała pasywna ewolucja, bez istotnych zderzeń z innymi galaktykami. Mogą więc stanowić jednorodną populację bez „zanieczyszczeń” dodatkowymi zjawiskami.

W swojej pracy, naukowcy z NCBJ wykorzystali największy obecnie dostępny zestaw ultra-kompaktowych masywnych galaktyk z przeglądu E-INSPIRE. Aby wyodrębnić z nich kandydatów do wykorzystania jako kosmiczne zegary, astrofizycy musieli określić stopień ich „reliktowości”, który opisuje, jak bardzo dana galaktyka zmieniła się w trakcie istnienia. „Aby otrzymać jednorodną, a jednocześnie istotną statystycznie próbkę galaktyk, nałożyliśmy ograniczenia zarówno na ich reliktowość, jak również wartość ich przesunięcia ku czerwieni z, czy masę. Ostatecznie uzyskaliśmy próbkę niemal 200 galaktyk reliktowych, które pozwoliły nam wyznaczyć wartość stałej Hubble’a H(z)” - wyjaśnia Krzysztof Lisiecki, doktorant w Zakładzie Astrofizyki NCBJ i pierwszy autor opublikowanego właśnie artykułu.

Dla mediany wartości przesunięcia ku czerwieni badanej populacji galaktyk, zespół otrzymał wartość stałej Hubble’a H(z=0,15) = 85 ± 51,5 [stat] +10,2 −8,9  [sys] km s^-1 Mpc^-1. Wynik ten jest zgodny z innymi otrzymanymi metodą CC, jak również przewidywaniami modelu ΛCDM. Mimo dość wysokiej względnej niepewności (62%), jest ona porównywalna z innymi analizami CC. Nowe badania pokazują jednak, że analiza galaktyk reliktowych pozwala znacznie zmniejszyć niepewności systematyczne, wynikające zwykle z efektów modelowania galaktyk. Dominująca część niepewności statystycznej zostanie w przyszłości zmniejszona za sprawą nowych przeglądów nieba, takich jak Euclid, czy Vera C. Rubin Observatory. Ogromne ilości dokładnych danych sprawią, że analizy wykorzystujące galaktyki reliktowe jako kosmiczne zegary staną się obiecującą ścieżką do odkrywania historii rozszerzania się Wszechświata.

Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji: K. Lisiecki, et al. CORN -- Chronometers of Relic Nature I: The first estimate of the expansion rate of the Universe using compact relic galaxies, Astronomy&Astrophysics, 714 (2026) A268, DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202660942.