Насколько быстро расширяется Вселенная?

Команды Хаббла и Гайи объединились, чтобы провести наиболее точное измерение на сегодня

В 1920-х Эдвин Хаббл сделал революционное открытие – оказалось, что Вселенная расширяется. Изначально такое положение вещей предсказывала Общая теория относительности Эйнштейна. Скорость этого расширения получила название "постоянной Хаббла ^[1]". К сегодняшнему дню с помощью современных телескопов – таких, как телескоп Хаббла – астрономы заново измерили и пересмотрели эту величину уже много раз.

Эти измерения подтвердили, что скорость расширения со временем увеличивалась, хотя учёные не уверены в том, почему. Последние измерения ^[2] были проведены международной командой учёных, которые использовали данные с Хаббла, а потом сравнили их с данными, полученными на обсерватории Гайя ^[3] Европейского космического агентства. В результате были получены наиболее точные измерения постоянной Хаббла на сегодняшний день, которые, однако, не сняли вопросы по поводу космического ускорения.

Исследование, описывающее эти открытия, было опубликовано в июле в журнале Astrophysical Journal под названием: «Стандарты цефеид Млечного пути для измерения космических расстояний и их применение к Гайя DR2: последствия для постоянной Хаббла». В исследовании участвовали учёные из Института исследований космоса с помощью космического телескопа, Университета Джонса Хопкинса, Национального института астрофизики, Калифорнийского университета в Беркли, Техасского университета A&M и Европейской южной обсерватории.

^[4]
Три этапа измерения постоянной Хаббла: измерение параллакса для цефеид, измерение галактик, содержащих цефеиды и сверхновые типа Ia, измерение удалённых галактик, содержащих сверхновые типа Ia.

С 2005 года Адам Рисс ^[5] – нобелевский лауреат, работающий с Институтом исследований космоса с помощью космического телескопа и Университетов Джонса Хопкинса – работал над уточнением значения постоянной Хаббла, усиливая и улучшая процесс построения космической лестницы расстояний ^[6]. Вместе со своей командой, известной как «использование сверхновой H0 для вычисления уравнения состояния» (Supernova H0 for the Equation of State ^[7], SH0ES), они успешно уменьшили погрешность измерений скорости расширения Вселенной до 2,2%.

Если подробно, то астрономы традиционно используют шкалу расстояний в астрономии, или лестницу расстояний, для измерения расстояний до дальних объектов Вселенной. Она строится на основе таких вех, как переменные звёзды цефеиды ^[8] – пульсирующие звёзды, расстояние до которых можно вычислить, сравнивая их абсолютную яркость с видимой [а абсолютную яркость вычислить, исходя из периода пульсаций / прим. перев.]. Такие измерения затем сравниваются с красным смещением света, приходящим от далёких галактик, чтобы определить, насколько быстро расширяется пространство между галактиками.

Отсюда выводится и постоянная Хаббла. Ещё один метод, это наблюдение за реликтовым излучением, и отслеживание расширения ранней Вселенной — когда с Большого взрыва прошло примерно 378 000 лет – из которых при помощи физики и экстраполяции выводится современная скорость расширения. Вместе этим методы должны обеспечить график расширения Вселенной с самого начала и до сегодняшних дней.

Однако астрономы уже довольно давно знают, что два этих измерения не совпадают между собой. В предыдущем исследовании ^[9], когда Рисс с командой также проводили исследования при помощи телескопа Хаббла, они получили значение постоянной, равное 73 км/с/Мпк. Тем временем, результаты, полученные из измерений обсерватории Планк ^[10] (наблюдавшей за реликтовым излучением с 2009 по 2013 года), говорят о том, что постоянная Хаббла должна равняться 67 км/с/Мпк, и уж точно не более 69 – а это расхождение на целых 9%.

Реликтовое излучение в псевдоцветах

Как отметил Рисс в недавнем пресс-релизе НАСА:

Напряжённость переросла в настоящую несовместимость нашего представления о ранней и поздней Вселенной. Встало ясно, что это уже не следствие какой-то жуткой ошибки в одном из измерений. Это похоже на то, как если бы вы предсказали рост ребёнка по графику роста людей, а потом обнаружили, что, повзрослев, он очень сильно превысил ожидания. Мы совершенно сбиты с толку.

В данном случае Рисс с коллегами использовали телескоп Хаббл для оценки яркости удалённых цефеид, а Гайя предоставила данные по параллаксу – видимому изменению местоположения объекта в зависимости от точки зрения – необходимые для определения расстояния. Ещё один вклад Гайи заключался в измерении расстояния до 50 цефеид Млечного пути, которые были скомбинированы с измерениями Хаббла.

Это позволило астрономам более точно откалибровать Цефеиды и использовать те из них, что находятся вне Млечного Пути, в качестве маркеров. Используя измерения, полученные с Хаббла и новые данные от Гайи, Рисс с коллегами смогли уточнить измеренное значение скорости расширения до 73,5 км/с/Мпк.

Спутник Гайя Европейского космического агентства в данный момент выполняет свою пятилетнюю миссию по построению карты звёзд Млечного Пути.

Стефано Казертано из Института исследований космоса с помощью космического телескопа и член команды SH0ES добавил:

Хаббл удивительно хорошо справляется с ролью обсерватории общего назначения, но Гайя – это новый стандарт калибровки расстояний. Он специально создан для измерения параллакса – его для этого разработали. Гайя даёт новые возможности по рекалибровке всех предыдущих измеренных расстояний и подтверждает нашу предыдущую работу. Мы получаем ту же самую величину для постоянной Хаббла, заменяя все предыдущие калибровки шкалы расстояний просто величинами параллаксов, полученными от Гайи. Это перекрёстная проверка двух мощнейших и точных обсерваторий.

В будущем Рисс и его команда надеются продолжать работать с Гайей, чтобы уменьшить погрешность, связанную с постоянной Хаббла, до 1% к началу 2020-х. Тем временем расхождение между современной скоростью расширения и той, что получена из данных по реликтовому излучению, будет продолжать удивлять астрономов.

В итоге это может стать признаком того, что во Вселенной работает какая-то другая физика, что тёмная материя взаимодействует с нормальной материей не так, как подозревали учёные, или, что тёмная энергия может оказаться ещё более экзотической, чем считалось ранее. Какой бы ни была причина, ясно, что у Вселенной ещё найдутся для нас сюрпризы!

Автор: SLY_G

Источник ^[11]