То, что Вселенная расширяется, является аксиомой. Однако темпы расширения не остались прежними. Похоже, что Вселенная сейчас расширяется быстрее, чем в прошлом.
Астрономы изо всех сил пытались понять это и задавались вопросом, не связано ли кажущееся ускорение с ошибками приборов. JWST решил этот вопрос.
Американскому астроному Эдвину Хабблу широко приписывают открытие расширения Вселенной. Но на самом деле оно возникло из уравнений относительности и было впервые предложено российским учёным Александром Фридманом. Однако закон Хаббла носит имя Эдвина, и именно он подтвердил расширение, названное постоянной Хаббла, и придал ему более точное значение. Он измеряет, насколько быстро галактики, не связанные гравитацией, удаляются друг от друга. Движение объектов исключительно за счет постоянной Хаббла называется потоком Хаббла.
Измерение постоянной Хаббла означает измерение расстояний до удаленных объектов. Для этого астрономы используют лестницу космических расстояний (CDL). Однако у лестницы есть проблема.
Первые ступени CDL — это фундаментальные измерения, которые можно наблюдать непосредственно. Измерение параллакса является наиболее важным фундаментальным измерением. Но метод не работает на больших расстояниях.
Помимо этого, астрономы используют стандартные свечи, объекты с известной внутренней яркостью, такие как сверхновые и переменные цефеиды. Эти объекты и их взаимоотношения помогают астрономам измерять расстояния до других галактик. Это сложно измерить, хотя развитие технологий добилось прогресса.
Однако усилиям мешает еще одна пара проблем. Во-первых, разные телескопы и методы позволяют производить разные измерения расстояний. Во-вторых, наши измерения расстояний и расширения не совпадают со Стандартной моделью космологии, также известной как модель лямбда-холодной темной материи (LCDM). Это несоответствие называется напряжением Хаббла.
Вопрос в том, можно ли объяснить несоответствие измерений и ЖКИ различиями приборов? Эту возможность необходимо исключить, и весь фокус в том, чтобы взять один большой набор измерений расстояний с одного телескопа и сравнить их с другим.
Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, решает эту проблему, сравнивая измерения космического телескопа Хаббл с измерениями JWST. Он называется «JWST проверяет измерения расстояний HST: выбор подвыборки сверхновых объясняет различия в оценках JWST локального H».0». Ведущий автор — Адам Рисс, заслуженный профессор Bloomberg и профессор физики и астрономии Томаса Дж. Барбера в Университете Джонса Хопкинса. Рисс также является лауреатом Нобелевской премии по физике 2011 года «за открытие ускоряющегося расширения Вселенной посредством наблюдений далеких сверхновых», по данным Нобелевского института.
По состоянию на 2022 год космический телескоп Хаббл собрал самую многочисленную выборку однородно измеренных стандартных свечей. Он измерил большое количество стандартных свечей на расстоянии около 40 Мпк или около 130 миллионов световых лет. «По состоянию на 2022 год самая большая коллекция однородно измеренных SNe Ia будет полной до D меньше или равного 40 Мпк или красного смещения z меньше или равного 0,01», — пишут авторы исследования. «Она состоит из 42 SNe Ia в 37 родительских галактиках, откалиброванных по наблюдениям цефеид с помощью космического телескопа Хаббла (HST), наследия более 1000 орбит (сравнимое количество часов), вложенных за последние ~ 20 лет».
В этом исследовании астрономы использовали мощный JWST для перекрестной проверки работы Хаббла. «Мы перепроверяем лестницу расстояний цефеид/сверхновых типа Ia (SN Ia) космического телескопа Хаббл (HST), которая дает наиболее точные локальные данные. ЧАС0 (поток Хаббла) против ранних подвыборок космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) (~1/4 выборки HST) из SH0ES и CCHP, откалиброванных только по NGC 4258», — пишут авторы. SH0ES и CCHP — это разные наблюдательные проекты, направленные на измерение постоянной Хаббла. SH0ES означает Supernova H0 (Уравнение состояния темной энергии), а CCHP означает Программу Хаббла Чикаго-Карнеги, которая использует JWST для измерения постоянной Хаббла.
«JWST имеет определенные преимущества (и некоторые недостатки) по сравнению с HST для измерения расстояний до близлежащих галактик», — пишут Рисс и его соавторы. Он обеспечивает разрешение в ближнем инфракрасном диапазоне в 2,5 раза выше, чем HST. Несмотря на некоторые недостатки, JWST «способен обеспечить надежную перекрестную проверку расстояний на первых двух ступенях», объясняют авторы.
Наблюдения с обоих телескопов тесно совмещены, что в основном сводит к минимуму инструментальную ошибку как причину расхождения между наблюдениями и моделью Lambda CDM.
«Хотя для того, чтобы выборка хостов SN JWST стала такой же большой, как выборка HST, потребуется несколько лет, мы показываем, что текущие измерения JWST уже исключили систематические ошибки на первых ступенях лестницы расстояний на гораздо меньшем уровне. чем напряжение Хаббла», — пишут авторы.
Это исследование охватило около трети набора данных Хаббла, при этом в качестве ориентира служило известное расстояние до галактики под названием NGC 4258. Несмотря на то, что набор данных был небольшим, Рисс и его коллеги добились впечатляюще точных результатов. Они показали, что различия в измерениях составляли менее 2%. Это гораздо меньше, чем разница в напряжении Хаббла, составляющая от 8% до 9%.
Это означает, что в нашей модели Lamda CDM чего-то не хватает. Стандартная модель дает скорость расширения от 67 до 68 километров в секунду на мегапарсек. Наблюдения с помощью телескопа дают немного более высокую скорость: от 70 до 76 километров в секунду на мегапарсек. Эта работа показывает, что расхождение не может быть связано с разными телескопами и методами.
«Несоответствие между наблюдаемой скоростью расширения Вселенной и предсказаниями стандартной модели предполагает, что наше понимание Вселенной может быть неполным. Теперь, когда два флагманских телескопа НАСА подтверждают выводы друг друга, мы должны принять это. [Hubble tension] Проблема очень серьезна — это вызов, но также и невероятная возможность узнать больше о нашей Вселенной», — сказал ведущий автор Рисс.
Чего может не хватать в модели Lambda CDM?
Марк Камионковски — космолог Университета Джонса Хопкинса, который помог вычислить постоянную Хаббла и недавно разработал возможное новое объяснение напряжения. Хотя это и не является частью этого исследования, он прокомментировал это в пресс-релизе.
«Одним из возможных объяснений напряженности Хаббла могло бы быть то, что в нашем понимании ранней Вселенной чего-то не хватало, например, нового компонента материи — ранней темной энергии — который дал Вселенной неожиданный толчок после Большого взрыва», — сказал Камионковски. . «И есть и другие идеи, такие как забавные свойства темной материи, экзотические частицы, изменение массы электрона или первичные магнитные поля, которые могут помочь. Теоретики имеют право проявлять творческий подход».
Дверь открыта, теоретикам остаётся только войти.
