Телескопы Уэбба и Хаббла подтверждают скорость расширения Вселенной, но загадка остается

Скорость расширения Вселенной, известная как постоянная Хаббла, является одним из фундаментальных параметров для понимания эволюции и окончательной судьбы космоса.

Однако между значением константы, измеренной с помощью широкого диапазона независимых индикаторов расстояния, и ее значением, предсказанным по послесвечению Большого взрыва, наблюдается устойчивая разница, называемая напряжением Хаббла. Космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА/ЕКА/ККА подтвердил, что зоркий глаз космического телескопа Хаббл был прав с самого начала, уничтожив любые сомнения относительно измерений Хаббла.

Одним из научных обоснований создания космического телескопа «Хаббл» НАСА/ЕКА было использование его наблюдательных возможностей для определения точного значения скорости расширения Вселенной. До запуска Хаббла в 1990 году наблюдения с наземных телескопов давали огромную неопределенность. В зависимости от значений, полученных для скорости расширения, Вселенной может быть от 10 до 20 миллиардов лет.

За последние 34 года Хаббл сократил это измерение до точности менее одного процента, разделив разницу на значение возраста в 13,8 миллиарда лет. Это было достигнуто путем уточнения так называемой «лестницы космических расстояний» путем измерения важных маркеров, известных как переменные звезды цефеиды.

Однако значение Хаббла не согласуется с другими измерениями, которые предполагают, что Вселенная после Большого взрыва расширялась быстрее. Эти наблюдения были сделаны с помощью спутника ЕКА «Планк», картографировавшего космическое микроволновое фоновое излучение — это схема того, как будет развиваться структура Вселенной после того, как она остынет в результате Большого взрыва.

Простым решением дилеммы было бы сказать, что, возможно, наблюдения «Хаббла» ошибочны из-за некоторой неточности, вкравшейся в измерения параметров глубокого космоса.

Затем появился космический телескоп Джеймса Уэбба, позволивший астрономам перепроверить результаты Хаббла. Инфракрасные изображения цефеид, полученные Уэббом, согласуются с данными оптического излучения Хаббла. Уэбб подтвердил, что зоркий глаз телескопа «Хаббл» с самого начала был прав, уничтожив любые сомнения относительно измерений Хаббла.

Суть в том, что так называемое Хаббловское напряжение между тем, что происходит в соседней Вселенной, по сравнению с расширением ранней Вселенной, остается мучительной загадкой для космологов. Возможно, в ткань космоса вплетено что-то такое, чего мы еще не понимаем.

Требует ли разрешение этого несоответствия новой физики? Или это результат ошибок измерения между двумя разными методами, используемыми для определения скорости расширения пространства?

Хаббл и Уэбб теперь объединились для проведения точных измерений, что подтверждает предположение о том, что на скорость расширения влияет что-то еще, а не ошибки измерений.

«Если ошибки измерений сведены на нет, остается реальная и захватывающая возможность того, что мы неправильно поняли Вселенную», — сказал Адам Рисс, физик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Рисс получил Нобелевскую премию за открытие того факта, что расширение Вселенной ускоряется благодаря загадочному явлению, которое теперь называется темной энергией.

В качестве перекрестной проверки первоначальное наблюдение Уэбба в 2023 году подтвердило точность измерений расширяющейся Вселенной, сделанных Хабблом. Однако, надеясь снять Хаббловское напряжение, некоторые учёные предположили, что невидимые ошибки в измерениях могут расти и становиться видимыми по мере того, как мы смотрим глубже во Вселенную. В частности, звездное скопление может систематически влиять на измерения яркости более отдаленных звезд.

Команда SH0ES (Сверхновая H0 для уравнения состояния темной энергии) под руководством Рисса получила дополнительные наблюдения с Уэббом за объектами, которые являются критическими космическими маркерами, известными как переменные звезды цефеиды, которые теперь можно коррелировать с данными Хаббла.

«Теперь мы охватили весь диапазон того, что наблюдал Хаббл, и можем с очень высокой степенью уверенности исключить ошибку измерения как причину натяжения Хаббла», — сказал Рисс.

Первые несколько наблюдений команды Уэбба в 2023 году оказались успешными и показали, что Хаббл находится на правильном пути и твердо устанавливает точность первых ступенек так называемой лестницы космических расстояний.

Астрономы используют различные методы для измерения относительных расстояний во Вселенной, в зависимости от наблюдаемого объекта. В совокупности эти методы известны как лестница космических расстояний: каждая ступенька или метод измерения основаны на предыдущем шаге калибровки.

Но некоторые астрономы предположили, что, двигаясь дальше по «второй ступеньке», лестница космических расстояний может стать шаткой, если измерения цефеид станут менее точными с увеличением расстояния. Такие неточности могут возникнуть из-за того, что свет цефеиды может смешиваться со светом соседней звезды — эффект, который может становиться более выраженным с расстоянием, поскольку звезды сбиваются в кучу на небе и их становится труднее отличить друг от друга.

Проблема наблюдений заключается в том, что прошлые изображения этих более удаленных переменных цефеид, полученные Хабблом, выглядят более сгущенными и перекрывающимися с соседними звездами на все больших расстояниях между нами и их родительскими галактиками, что требует тщательного учета этого эффекта. Наличие пыли еще больше усложняет точность измерений в видимом свете. Уэбб прорезает пыль и естественным образом изолирует цефеиды от соседних звезд, поскольку его зрение в инфракрасных длинах волн острее, чем у Хаббла.

«Объединение Уэбба и Хаббла дает нам лучшее из обоих миров. Мы обнаруживаем, что измерения Хаббла остаются надежными по мере того, как мы поднимаемся дальше по лестнице космических расстояний», — сказал Рисс.

Новые наблюдения Уэбба включают в себя пять галактик-хозяев восьми сверхновых типа Ia, содержащих в общей сложности 1000 цефеид, и достигают самой дальней галактики, где цефеиды были хорошо измерены, — NGC 5468, находящейся на расстоянии 130 миллионов световых лет.

«Это охватывает весь диапазон, в котором мы проводили измерения с помощью Хаббла. Итак, мы подошли к концу второй ступеньки лестницы космических расстояний», — сказал соавтор Гагандип Ананд из Научного института космического телескопа в Балтиморе, который управляет телескопы Уэбб и Хаббл для НАСА.

Вместе, подтверждение Хабблом и Уэббом Хаббловского напряжения дает возможность другим обсерваториям, возможно, разгадать тайну, включая предстоящий НАСА Романский космический телескоп Нэнси Грейс и недавно запущенную миссию ЕКА «Евклид».

В настоящее время это похоже на то, как если бы лестница расстояний, наблюдаемая Хабблом и Уэббом, прочно установила точку привязки на одном берегу реки, а послесвечение Большого взрыва, наблюдаемое Планком с самого начала Вселенной, прочно установилось на другой стороне. . Как менялось расширение Вселенной за миллиарды лет между этими двумя конечными точками, еще предстоит наблюдать напрямую.

«Нам нужно выяснить, не упускаем ли мы что-то в том, как связать начало Вселенной и наши дни», — сказал Рисс.

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

Информация от: Европейским космическим агентством