На одном из изображений Большого Магелланова Облака, полученном наземным космическим телескопом Хаббл, было выделено галактическое скопление, изобилующее переменными цефеидами – классом звезд, которые регулярно мерцают. Как передает ресурс Live Science, используя эту частоту пульсаций, ученые вычислили скорость расширения Вселенной, но она, как оказалось, не совпадает со значениями, полученными из других космических явлений, таких как эхо Большого взрыва, известного еще как космическое микроволновое фоновое излучение.
Сегодня измерения скорости космического расширения различными методами продолжают приводить к противоречивым результатам, что создает еще большую запутанность представлений о функционировании Вселенной.
Проблема сосредоточена в так называемой постоянной Хаббла. Эта величина, названная в честь американского астронома Эдвина Хаббла, описывает скорость расширения Вселенной на разных расстояниях от Земли. Используя данные спутника Planck Европейского космического агентства (ESA), ученые оценили эту скорость в 46 200 миль в час на миллион световых лет (или, используя единицы космологов, 67,4 километра в секунду на мегапарсек). Однако расчеты, основанные на использовании изменчивых звезд (цефеид), показывают, что она составляет 50 400 миль в час на миллион световых лет (73,4 км/с/Мпк).
Таким образом, если верно первое число, это означает, что ученые измеряли расстояния до далеких объектов во Вселенной неправильно в течение многих десятилетий. Но если верно второе, то исследователям, возможно, придется принять существование новой физики. Понятно, что астрономы очень обеспокоены этим несоответствием.
Что непрофессионал должен сделать учитывая эту ситуацию и насколько важна эта разница, которая для посторонних выглядит незначительной? Чтобы дать ответы на эти вопросы, Live Science попросили Барри Мадора, астронома из Чикагского университета и члена одной из команд, проводящих измерения постоянной Хаббла, дать ответы на подобные вопросы.
Проблема начинается с самого Эдвина Хаббла. Еще в 1929 году он заметил, что более отдаленные галактики удаляются от Земли быстрее, чем их более близкие коллеги. Он обнаружил линейную зависимость между расстоянием, на котором объект находится от нашей планеты, и скоростью, с которой он удаляется.
«Это означает, что происходит что-то жуткое», – сказал Мадор. «Почему мы должны быть центром Вселенной? Ответ, который не является интуитивным, заключается в том, что отдаленные объекты не движутся. Между всем создается все больше и больше пространства».
Хаббл понял, что вселенная расширяется, и она, кажется, делает это с постоянной скоростью – отсюда и постоянная Хаббла. Он получил значение около 342 000 миль в час на миллион световых лет (501 км/с/Мпк) – почти в 10 раз больше, чем измеряется в настоящее время. За прошедшие годы исследователи усовершенствовали этот показатель.
По словам Мадора, в конце 1990-х годов ситуация стала еще более странной, когда две группы астрономов заметили, что отдаленные сверхновые были более тусклыми и поэтому находились дальше, чем ожидалось. Это указывало на то, что не только расширялась Вселенная, но и ускорялось ее расширение. Астрономы назвали причину этого загадочного явления темной энергией.
Признав, что во Вселенной происходят пока необъяснимые процессы, космологи попытались решить задачу с другой стороны: измерить ускорение с максимально возможной точностью. Делая это, они надеялись проследить историю и эволюцию космоса от начала до конца.
Мадор сравнил эту задачу с выходом на ипподром и наблюдением за бегущими по полю лошадьми. Как вы думаете, по этой информации может кто-то определить, где все лошади стартовали и кто из них победит?
Ответ на этот вопрос может показаться невозможным, но это не помешало ученым попробовать. Последние 10 лет спутник Planck измеряет космический микроволновый фон, отдаленное эхо Большого взрыва, которое дает снимок детской Вселенной, возрастом 13 миллиардов лет. Используя данные обсерватории, космологи смогли определить число для постоянной Хаббла с чрезвычайно малой степенью неточности.
«Это хорошо», – сказал Мадор. Но «противоречит тому, что люди делали в течение последних 30 лет».
В течение этих трех десятилетий астрономы также использовали телескопы для наблюдения за далекими цефеидами и вычисления постоянной Хаббла. Эти звезды мерцают с постоянной скоростью, которая зависит от их яркости, поэтому исследователи могут точно сказать, насколько яркой должна быть цефеида, исходя из ее пульсаций. Глядя на то, насколько тусклые звезды на самом деле, астрономы могут рассчитать расстояние до них. Но оценки постоянной Хаббла с использованием цефеид не совпадают с оценками по данным спутника Planck.
Расхождение может выглядеть довольно небольшим, но каждая точка данных является довольно точной, и между их неопределенностями нет совпадений. «Разные стороны указывали друг на друга пальцами, говоря, что их оппоненты включали ошибки, нивелирующие их результаты», – сказал Мадор.
Но, добавил он, каждый результат также зависит от большого числа факторов. Возвращаясь к аналогии со скачками, Мадор сравнил этот процесс с попыткой выяснить победителя, определив при этом, какая из лошадей устанет первой, получит внезапный прилив энергии, немного поскользнется на мокрой дороге, клочке травы от вчерашнего дождя и т.д. Факторов среды очень много и определить действующие довольно трудно.
Если команды цефеид ошибаются, это означает, что астрономы все это время неправильно измеряли расстояния во Вселенной, сказал Мадор. Но если Planck ошибается, то возможно, что новая и экзотическая физика должна быть введена в космологические модели Вселенной, добавил он. Эти модели включают в себя различные циферблаты, такие как число типов субатомных частиц, известных как существующие нейтрино, и они используются для интерпретации данных спутника о космическом микроволновом фоне. По словам Мадора, чтобы согласовать значение Planck и постоянной Хаббла с существующими моделями, некоторые из циферблатов необходимо будет перенастроить, но большинство физиков пока не готовы это сделать.
В надежде разрешить эту проблему с постоянной Хаббла, Мадор и его коллеги недавно посмотрели на свет красных гигантских звезд. Эти объекты достигают одинаковой максимальной яркости в конце своей жизни, а это означает, что, как и в случае с цефеидами, астрономы могут посмотреть, насколько тусклыми они кажутся от Земли, чтобы получить достоверную оценку своего расстояния и, следовательно, вычислить постоянную Хаббла.
Результаты, опубликованные в июле 2019 года, предоставили число между двумя предыдущими измерениями: 47,300 миль в час на миллион световых лет (69,8 км/с/Мпк), которое ближе к результатам спутника Planck.
По словам Мадора, исследователи пока не открывают шампанское. Напротив, результаты только добавляют работы, показывая, что во всех результатах, скорее всего, есть неточности.
В отношении других исследователей вопроса скорости расширения Вселенной, группа под названием «Линзы H0» в Wellspring COSMOGRAIL (H0LICOW), например, рассматривает для этого отдаленные яркие объекты, называемые квазарами, свет которых гравитационно линзируется массивными объектами между Землей и ними. Изучая квазары, ученые недавно пришли к оценке, приближенной к стороне астрономов.
Информация, полученная от лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), которая рассматривает гравитационные волны от падающих нейтронных звезд, может предоставить еще одну (пятую) независимую оценку. Но такие расчеты все еще находятся на ранних стадиях проработки, и еще не достигли полной зрелости.Потому, говоря о скорости расширения Вселенной на данный момент можно сказать только то, что она начинается с показателя 67 км/с на отрезке длинной 3,08⋅1019 м. Это приблизительно в 2 раза быстрее, чем Земля вращается вокруг Солнца по своей орбите.
