Новые данные о движении звёзд усложнили жизнь астрономам

Вселенная, судя по всему, расширяется быстрее, чем должна. И никто не знает, почему — а новые сверхточные измерения расстояний только усугубили эту проблему.

^[1]
Кликабельно

3 декабря у человечества вдруг оказалась на руках информация, которую мы хотели получить с незапамятных времён: точное расстояние до звёзд.

«Вводите название звезды или её местоположение, и через секунду получаете ответ», — сказал Бэрри Мэдор ^[2], космолог из Чикагского университета и Обсерваторий Карнеги, во время видеозвонка. «В общем…» – он умолк.

«Мы просто завалены этими данными», — сказала Венди Фридман ^[3], космолог из тех же университетов, жена и коллега Мэдора.

«Невозможно преувеличить мой восторг по этому поводу», — сказал по телефону Адам Рисс ^[4] из университета Джонса Хопкинса, получивший в 2011 году нобелевскую премию за участие в открытии тёмной энергии. «Давайте я переключусь на видео, чтобы показать вам, что меня так восхитило?» Мы перешли в Zoom, чтобы он смог поделиться своим экраном, где расположились красивые графики, описывающие новые данные по местоположениям звёзд.

Эти данные собрал космический аппарат «Гайя» ^[5] европейского космического агентства. Последние шесть лет он с насеста высотой в полтора миллиона километров без перерыва глазел на звёзды. Телескоп измерил параллаксы 1,3 млрд звёзд – крохотные изменения видимых положений звёзд, выдающие расстояние до них. «Параллаксы с Гайи – самые точные измерения расстояний за всю историю», — сказал Джо Бови ^[6], астрофизик из Торонтского университета.

А что самое приятное для космологов, в новый каталог «Гайи» входят особые звёзды, расстояния до которых служат мерилом для всех остальных, более далёких расстояний. Поэтому новые данные мгновенно обострили крупнейшую проблему современной космологии: неожиданно быстрое расширение Вселенной, «хаббловскую напряжённость» [Hubble tension].

Напряжённость состоит в следующем: на основе известных составляющих Вселенной и управляющих ею уравнений получается, что она должна расширяться ^[7] со скоростью в 67 км в секунду на мегапарсек – то есть, с каждым дополнительным мегапарсеком между нами и галактикой она должна разлетаться от нас на 67 км быстрее. Однако реальные измерения постоянно превосходят это значение. Галактики разлетаются слишком быстро. Это расхождение наводит на волнующую мысль о том, что в космосе должен быть какой-то неизвестный нам ускоряющий фактор.

«Было бы невероятно здорово обнаружить новую физику, — сказала Фридман. – Я втайне надеюсь, что на этом основании можно сделать открытие. Но нам нужно убедиться, что мы правы. Перед тем, как недвусмысленно заявить об этом, нужно проделать много работы».

В эту работу входит уменьшение возможных источников ошибок в измерениях скорости расширения. Крупнейшим из таких источников было расстояние до ближайших к нам звёзд – и это расстояние уточнили новые данные о параллаксе.

В опубликованной в журнале The Astrophysical Journal работе ^[8] команда Рисса использовала новые данные, чтобы уточнить скорость расширения. Они получили 73,2 км в секунду на мегапарсек, что соответствует их предыдущим оценкам, только теперь погрешность уменьшилась до 1,8%. Это лишь укрепляет расхождение ^[9] с предсказанной величиной скорости, 67.

Фридман и Мэдор скоро планируют опубликовать собственное новое и улучшенное измерение этой величины. Они тоже считают, что новые данные лишь укрепят, но не изменят их измерений, которые, хоть и были меньше, чем у Рисса и других групп, но всё равно превосходили предсказание.

С момента запуска «Гайи» в декабре 2013 года она выпустила два массивных набора данных, произведших революцию в понимании ближайших к нам частей космоса. Однако предыдущие измерения параллакса «Гайи» разочаровали всех. «Когда мы посмотрели на первый выпуск данных» в 2016 году, «нам хотелось плакать», сказала Фридман.

Непредвиденная проблема

Если бы параллаксы было легче измерять, революция Коперника могла бы случиться и ранее.

В XVI веке Коперник ^[10] предположил, что Земля вращается вокруг Солнца ^[11] [такие предположения высказывались и задолго до него, однако в Европе общепринятой считалась геоцентрическая система ^[12]]. Однако уже тогда астрономы знали о параллаксе. Если Коперник был прав, и Земля движется, то они ожидали увидеть смещение позиций звёзд на небе – так же, как видимый вами фонарный столб смещается относительно далёких холмов сзади него, когда вы переходите улицу. Астроном Тихо Браге ^[13] не обнаружил подобных сдвигов, и заключил, что Земля не движется.

И всё-таки, она движется, а звёзды – сдвигаются, хотя и очень мало, поскольку расположены они очень далеко от нас.

Только в 1838 году немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель ^[14] смог обнаружить звёздный параллакс. Измеряя угловой сдвиг звёздной системы 61 Лебедя ^[15] по отношению к окружающим звёздам, Бессель заключил, что она расположена на расстоянии в 10,3 светового года от нас [по образному выражению его современников, «впервые лот, заброшенный в глубины мироздания, достиг дна» / прим. пер.]. И его измерения отличались от истины всего на 10% — новые измерения «Гайи» говорят, что две звезды этой системы располагаются на расстоянии в 11,4030 и 11,4026 световых года от нас, плюс-минус пару тысячных долей.

Система 61 Лебедя находится чрезвычайно близко к нам. Более типичные звёзды Млечного Пути сдвигаются лишь на сотые доли угловой секунды – это в сто раз меньше пикселя у современной камеры телескопа. Для определения их движения требуется специализированное сверхстабильное оборудование. «Гайю» специально разрабатывали для этой цели, но когда телескоп включили, то столкнулись с непредвиденной проблемой.

Телескоп работает благодаря тому, что смотрит в срезу двух направлениях, и отслеживает угловую разницу между звёздами в двух областях видимости, пояснил Леннарт Линдерген ^[16], один из авторов проекта «Гайя» в 1993 году, и руководитель команды, анализирующей ^[17] новые данные по параллаксу. Для точного измерения параллакса требуется, чтобы угол между двумя областями зрения оставался постоянным. Но в начале работы миссии учёные обнаружили, что это не так. Телескоп слегка изгибался, вращаясь по отношению к Солнцу, из-за чего в его движения вкрадывались колебания, имитировавшие параллакс. Что ещё хуже, этот сдвиг сложным образом зависел от местоположения объектов, их цвета и яркости.

Однако по мере набора данных учёные обнаружили, что проще будет отделить ложный параллакс от реального. Линдегрен с коллегами смогли удалить большую часть колебаний телескопа из новых данных, а также вывели формулу, с помощью которой исследователи могут корректировать изменения параллакса в зависимости от местоположения, цвета и яркости звезды.

Взбираясь по лестнице

Вооружившись новыми данными, Рисс, Фридман и Мэдор с командами смогли пересчитать скорость расширения Вселенной. В общих чертах, чтобы измерить скорость расширения, нужно понять, насколько далеко от нас находятся удалённые галактики, и как быстро они от нас удаляются. Измерить скорость просто, а расстояния – сложно.

Самые точные измерения полагаются на сложные "лестницы космических расстояний ^[18]". За первую ступень отвечают «стандартные свечи» – звёзды, внутри и снаружи нашей Галактики с хорошо определённой яркостью, находящиеся достаточно близко от нас, чтобы их параллакс можно было измерить – а это единственный способ измерить расстояние до объекта, не приближаясь к нему. Затем астрономы сравнивают яркость этих стандартных свечей с яркостью более тусклых, расположенных в близлежащих галактиках, чтобы рассчитать расстояние до них. Это вторая ступень лестницы. Зная расстояние до галактик, выбранных потому, что в них есть редкие и яркие взрывы сверхновых типа Iа ^[18], астрономы могут измерить относительные расстояния до расположенных ещё дальше галактик, где тоже есть, уже более тусклые для нас, сверхновые типа Ia. Отношение скорости этих далёких галактик к расстоянию до них даёт скорость расширения космоса.

Параллаксы, следовательно, критически важны для всей этой конструкции. «Измените первый шаг – параллаксы – и все последующие тоже поменяются», — сказал Рисс, один из лидеров подхода с лестницей расстояний. «Измените точность первого шага, изменится точность всего остального».

Команда Рисса использовала новый измеренный «Гайей» параллакс 75 цефеид ^[19] – пульсирующих переменных звёзд, выбранных ими в качестве предпочтительных стандартных свечей – чтобы заново откалибровать своё измерение скорости расширения Вселенной.

Главные соперники Рисса в игре с лестницей расстояний, Фридман и Мэдор, в последние годы начали утверждать, что в цефеидах может скрываться погрешность, влияющая на верхние ступени лестницы. Поэтому, не полагаясь на них, их команда комбинирует измерения на основе различных стандартных свечей из набора данных «Гайи» – цефеиды, переменные типа RR Лиры, ^[20] звёзды с верхней части ветки красных гигантов, и т.н. углеродные звёзды ^[21].

«Новые данные Гайи дают нам безопасную платформу», — сказал Мэдор. Они с Фридман отметили, что новые данные и их формула корректировки хорошо сочетаются. При использовании различных методов построения и анализа измерений, точки на графике, обозначающие цефеиды и другие звёзды, красиво ложатся на прямые, почти без колебаний, говорящих о случайных ошибках.

«Это говорит о том, что мы действительно получаем реальные данные», — сказал Мэдор.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник ^[22]