Изображения предоставлены: ЕКА/Хаббл и НАСА, Ф. Пако, Д. Коу.
Прошло почти 100 лет с тех пор, как ученые обнаружили, что Вселенная расширяется. В последующие десятилетия точность измерений, а также интерпретации и последствия этого открытия были предметом жарких споров. Сегодня мы знаем, что Вселенная резко возникла из сильно сжатого состояния в результате события, известного как Большой взрыв.
Измерения сегодняшней скорости расширения, известной как постоянная Хаббла, или H₀ (произносится как H-ноль), значительно улучшились с тех первых дней. Однако астрономическое сообщество в настоящее время охвачено новой дискуссией: два независимых измерения H₀, которые должны совпадать, дают разные результаты. Эта ситуация стала известна как «напряжение H₀» или напряжение Хаббла.
Этой теме посвящены многочисленные конференции, обзорные статьи и журнальные статьи. Некоторые называют это «кризисом космологии», требующим смены парадигмы в нашем понимании Вселенной. Расширение Вселенной было центральным аспектом ее истории со времен Большого взрыва и, следовательно, лежит в основе многих других элементов нашего понимания.
Другие рассматривают напряжение H₀ просто как признак того, что группы измерений не до конца понимают свои данные, и полагают, что «кризис» можно разрешить, используя более качественные данные. Но решения по-прежнему не видно.
Два метода измерения, лежащие в основе этой дискуссии, — это «лестница расстояний» и «космическое микроволновое фоновое излучение». Лестница расстояний является более старым из двух методов и использовалась в различных формах со времени первых открытий расширения Вселенной.
Первые доказательства были получены в результате революционных измерений слабых облачных объектов, которые, как мы теперь знаем, являются галактиками за пределами Млечного Пути. Американский астроном В.М. Слайфер измерил химические сигнатуры в свете этих объектов. Используя спектроскопию, он сравнил эти подписи с подписями известных молекул и обнаружил, что их длины волн растянуты по сравнению со стандартными лабораторными результатами.
Это растяжение длин волн света других галактик, известное как «красное смещение», вызвано эффектом Доплера. Это явление также отвечает за то, что звук сирены увеличивается по мере приближения автомобиля скорой помощи, а затем уменьшается по мере его проезда. В знаковой статье 1917 года Слайфер объявил, что почти все галактики, которые он наблюдал, удалялись от Млечного Пути.
Данные Слайфера позже были использованы Эдвином Хабблом в его знаменитом исследовании 1929 года. Он показал, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она исчезает и, следовательно, тем больше ее красное смещение. Связь между красным смещением и расстоянием — это постоянная Хаббла.
Расширение Вселенной уже было предсказано теоретиками. В начале 1920-х годов Александр Фридман и Жорж Леметр независимо друг от друга поняли, что недавно опубликованная общая теория относительности Альберта Эйнштейна может предсказать расширение Вселенной и что это приведет к увеличению красного смещения галактик с расстоянием.
Дистанционный проводник
Из-за расширения Вселенной далекие галактики оттягиваются от нас. Измерение постоянной Хаббла основано на определении взаимосвязи между расстоянием до этих объектов и скоростью, с которой они удаляются.
По этой причине единицей H₀ обычно являются «километры в секунду на мегапарсек», что относится к скорости объекта на расстоянии в один мегапарсек (единица расстояния, используемая астрономами, равная примерно 3 миллионам световых лет). .
Три основных шага, которые астрономы используют для расчета скорости расширения Вселенной, — величина, называемая постоянной Хаббла. Строится космическая «лестница расстояний». НАСА/ЕсаСА/А. Фейлд (STScI)
Как показал Слайфер столетие назад, темпы рецессии можно легко измерить с помощью спектроскопии. Однако точные измерения расстояний до галактик чрезвычайно сложны, и именно здесь в игру вступает лестница расстояний.
Нижняя «ступенька» лестницы представляет объекты на небе, расположенные достаточно близко, чтобы можно было использовать прямые методы измерения расстояний, например метод параллакса, при котором движение Земли вокруг Солнца вызывает периодические сдвиги угловых углов. положение объектов. Последующие ступени представляют собой измерения от все более удаленных групп объектов.
Это объекты, относительные расстояния которых легко измерить, но абсолютное расстояние которых необходимо калибровать, как линейку без цифр. Эта функциональность обеспечивается объектами самого низкого уровня.
Цефеиды — яркие и массивные звезды, которые пульсируют — особенно подходят в качестве ростков, поскольку существует тесная связь между периодом их пульсации и яркостью, открытая Генриеттой Свон Ливитт в 1908 году. Самая дальняя ступень обычно образуется сверхновыми типа 1а (взрывы, которые происходят, когда определенные звезды достигают конца своей жизни), которые также предоставили убедительные доказательства того, что скорость расширения Вселенной увеличивается.
Космические микроволны
Другой метод измерения, находящийся в центре дискуссий, — это космическое микроволновое фоновое излучение (CMB). Это свет, который излучался, когда Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет – задолго до того, как образовались звезды и планеты. Вместо этого горячая плазма заполнила все пространство, почти идеально однородное, за исключением звуковых волн, которые, как полагают, возникли в результате Большого взрыва.
Физика Вселенной в настоящее время удивительно проста, что позволяет нам делать надежные предсказания о свойствах этих волн. В сочетании с точными измерениями наши математические модели говорят нам, какова была скорость расширения Вселенной в это раннее время. Имея модель последующей истории расширения, мы можем сделать чрезвычайно точный прогноз H₀.
Теперь давайте посмотрим, что каждый метод определяет для H₀. Наиболее точные измерения расстояния между проводниками выполнила научная группа SH0ES под руководством лауреата Нобелевской премии Адама Рисса. Их последнее измерение дает H₀ = 73,2 км в секунду на мегапарсек. Наиболее точные измерения реликтового излучения, проведенные командой спутников Planck Европейского космического агентства, дают H₀ = 67,4 км в секунду на мегапарсек.
Даже если эти два измерения отличаются максимум на 10%, разница огромна по сравнению с процентной точностью двух измерений. Оно также превышает статистический порог «5 сигм», который ученые обычно считают показателем события, которое не является чисто случайным.
Так в чем же может быть причина такого большого расхождения между двумя измерениями? Одна из причин может заключаться в том, что модель, используемая для прогнозирования H₀ по реликтовому излучению, неверна. Возможно, альтернативная модель Вселенной согласовала бы предсказание реликтового излучения с измерением лестницы расстояний. В последние годы среди теоретиков в этом направлении ведется активная деятельность.
Главное препятствие заключается в том, что эволюция Вселенной жестко ограничена серией надежных измерений, собранных на протяжении десятилетий. Кроме того, измерение H₀ реликтового излучения подтверждается независимыми измерениями с сопоставимой точностью с использованием обзоров галактик. Последнее такое измерение, проведенное коллаборацией Dark Energy Spectroscope Instrument (Desi), дает H₀ = 68,5 км в секунду на мегапарсек с точностью около 1%, что согласуется со значением реликтового излучения.
Проявите творческий подход
Поэтому теоретикам пришлось проявить творческий подход. Одно из предположений состоит в том, что очень ранняя Вселенная пережила внезапную фазу увеличения расширения, прежде чем началось излучение реликтового излучения. В результате первые атомы образовались раньше, чем обычно ожидалось. Идея состоит в том, что «нормальное» измерение H₀ в реликтовом излучении пренебрегло этим эффектом и пришло к выводу, что постоянная Хаббла меньше, чем есть на самом деле.
Проблема решений такого рода заключается в том, что они также должны предсказать другие подробные закономерности, наблюдаемые в реликтовом излучении, которые были измерены с большой точностью спутником «Планк» и другими телескопами.
Другие предлагаемые решения включают предположения о том, что магнитные поля повлияли на формирование первых атомов или даже о том, что Земля находится в нетипичной части Вселенной, которая необычно расширилась. К сожалению, ни одно из предложенных решений не является убедительным и не соответствует всем имеющимся данным.
Альтернативный, хотя и более прозаический, аргумент заключается в том, что наша физическая картина Вселенной верна, но одно или несколько измерений не учитывают наблюдательный эффект. Это привело к интенсивному изучению измерений SH0ES и Планка как астрономическим сообществом, так и самими командами. На сегодняшний день ни в одном из анализов не обнаружено ошибок.
Путь в будущее
Так что же произойдет дальше? Несколько многообещающих методов, использующих альтернативные ступени лестницы расстояний, недавно стали конкурентами измерения SH0ES.
Команда под руководством Венди Фридман, американского пионера современных исследований H₀, использовала определенные звезды, которые попадают в категорию, известную как «кончик ветви красных гигантов» (TRGB), для создания новых калибровок сверхновой для определения расстояний. Этот метод позволяет избежать неопределенностей, связанных с использованием цефеид. Интересно, что H₀ = 69,8 — константа между Планком и SH0ES, но с большей неопределенностью.
Кроме того, команда Фридмана недавно обнаружила несоответствие между расстояниями до галактик, предполагаемыми звездами TRGB и цефеидами, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Если бы это несоответствие было подтверждено будущими анализами, это поставило бы подход «лестницы расстояний» на еще более неопределенную основу.
Качество измерений H₀ обязательно улучшится благодаря новым данным JWST, новым образцам сверхновых и инновационным методам, таким как использование гравитационных волн от слияния черных дыр. Но еще предстоит увидеть, ослабят ли эти усилия или усугубят напряженность вокруг Хаббла.
Наше понимание Вселенной в настоящее время все еще омрачено разногласиями по поводу того, как измерить скорость расширения. Спустя сто лет после своего изобретения постоянная Хаббла все еще озадачивает нас.
Информация от: Разговором
