28.09.2024. - С какой скоростью расширяется Вселенная

С какой скоростью расширяется Вселенная

Прошло почти 100 лет с тех пор, как ученые обнаружили, что Вселенная расширяется. В последующие десятилетия точность измерений, а также интерпретации и следствия этого открытия были предметом ожесточенных споров. Теперь мы знаем, что Вселенная возникла из сильно сжатого состояния в результате события, известного как Большой взрыв.

Измерения современной скорости расширения, известной как постоянная Хаббла или H0 (произносится как H-ноль), значительно улучшились с тех пор. Однако астрономическое сообщество сейчас охвачено новой дискуссией: два независимых измерения H0, которые должны совпадать, дают разные результаты. Эта ситуация стала известна как "напряженность H0", или напряженность Хаббла.

Этому вопросу были посвящены многочисленные конференции, обзорные статьи и журналы. Некоторые называют это "кризисом космологии", требующим смены парадигмы в нашем понимании Вселенной. Расширение Вселенной является ключевым аспектом ее истории со времен Большого взрыва, поэтому оно лежит в основе многих других элементов нашего понимания.

Другие считают, что напряженность в области h0 просто свидетельствует о том, что команды, занимающиеся измерениями, не до конца понимают свои данные и что при наличии более качественных данных "кризис" будет преодолен. Но его решение остается труднодостижимым.

В центре этих дискуссий находятся два метода измерения - "дистанционная шкала" и "космический микроволновый фон". Дистанционная шкала является более старой из двух и использовалась в различных формах с момента самого раннего обнаружения расширения Вселенной.

Первые данные были получены в результате новаторских измерений слабых объектов, похожих на облака, которые, как мы теперь знаем, являются галактиками за пределами Млечного Пути. Американский астроном В.М. Слайфер (V.M. Slipher) измерил химические сигнатуры в свете, исходящем от этих объектов. Используя технику спектроскопии, чтобы сопоставить эти сигнатуры с сигнатурами известных молекул, он обнаружил, что их длины волн были увеличены по сравнению со стандартными лабораторными результатами.

Это растяжение длин волн света от других галактик, известное как "красное смещение", вызвано эффектом Доплера. Это явление также является причиной того, что звук сирены увеличивается при приближении автомобиля скорой помощи, а затем уменьшается при его проезде. В основополагающей статье 1917 года Слайфер объявил, что почти все галактики, которые он наблюдал, удаляются от Млечного Пути.

Данные Слайфера впоследствии были использованы Эдвином Хабблом в его знаменитом исследовании 1929 года, показавшем, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и, следовательно, тем больше ее красное смещение. Отношение красного смещения к расстоянию - это постоянная Хаббла.

Расширение Вселенной уже было предсказано теоретиками. В начале 1920-х годов Александр Фридман и Жорж Леметр независимо друг от друга поняли, что недавно опубликованная общая теория относительности Альберта Эйнштейна может предсказать расширяющуюся Вселенную и что следствием этого будет красное смещение галактик, которое увеличивается с расстоянием.

Лестница расстояний

Удаленные галактики удаляются от нас из-за расширения Вселенной. Измерения постоянной Хаббла основаны на определении связи между расстоянием до этих объектов и скоростью, с которой они удаляются.

По этой причине единицами измерения h0 обычно являются "километры в секунду на мегапарсек", что означает скорость объекта, находящегося на расстоянии одного мегапарсека (используемая астрономами единица измерения расстояния, эквивалентная примерно 3 миллионам световых лет).

Как и сто лет назад, с помощью спектроскопии можно легко измерить скорость спада, которую сделал Слайфер. Однако, как известно, точные измерения расстояний до галактик - дело сложное, поэтому здесь на помощь приходит шкала расстояний.

Самая нижняя "ступенька" лестницы представляет объекты на небе, которые находятся достаточно близко, чтобы мы могли использовать прямые методы измерения расстояния, такие как метод параллакса, при котором движение Земли вокруг Солнца создает периодические сдвиги в угловом положении объектов. Последующие ступени представляют собой измерения постепенно удаляющихся наборов объектов.

Это объекты, для которых легко измерить относительные расстояния, но, как и для линейки без цифр, их абсолютное расстояние должно быть откалибровано. Эта функция предоставляется объектами, расположенными на самой нижней ступени.

Цефеиды — яркие и массивные звезды, которые пульсируют, — особенно полезны в качестве промежуточных звеньев из-за тесной корреляции между периодом их пульсации и яркостью, обнаруженной Генриеттой Суон Ливитт в 1908 году. Наиболее удаленную ступень обычно образуют сверхновые типа 1а (взрывы, которые происходят, когда некоторые звезды подходят к концу своей жизни), которые также являются убедительным доказательством того, что скорость расширения Вселенной увеличивается.

Космические микроволны

Другим методом измерения, находящимся в центре дискуссий, является космический микроволновый фон (CMB). Это свет, испускаемый, когда Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет — задолго до образования звезд или планет. Вместо этого все пространство заполнила горячая плазма, почти идеально однородная, за исключением звуковых волн, которые, как полагают, возникли в результате Большого взрыва.

Физика Вселенной в настоящее время на удивление проста, поэтому мы можем делать надежные прогнозы о свойствах этих волн. В сочетании с точными измерениями наши математические модели говорят нам о том, какова была скорость расширения Вселенной в то раннее время. Имея модель для последующей истории расширения, мы можем сделать чрезвычайно точный прогноз h0.

Теперь давайте посмотрим, что каждый метод определяет для h0. Наиболее точное измерение расстояния по шкале ladder было проведено научной группой SH0ES во главе с нобелевским лауреатом Адамом Рисом. Их последнее измерение показало, что h0 = 73,2 км в секунду на мегапарсек. Наиболее точное измерение реликтового излучения, проведенное командой спутников Planck Европейского космического агентства, показало, что h0 = 67,4 км в секунду на мегапарсек.

Несмотря на то, что эти два измерения отличаются друг от друга в пределах 10%, разница огромна по сравнению с точностью каждого измерения в процентах. Это также превышает статистический порог "5 сигм", который ученые обычно принимают за показатель события, которое не является чисто случайным.

Итак, что же может быть причиной такого большого расхождения между двумя измерениями? Одной из причин может быть то, что модель, используемая для предсказания h0 по реликтовому излучению, неверна. Возможно, альтернативная модель Вселенной согласовала бы предсказание реликтового излучения с измерением расстояния по лестнице. За последние несколько лет теоретики проявили интенсивную активность в этом направлении.

Основное препятствие заключается в том, что эволюция Вселенной сильно ограничена рядом надежных измерений, накопленных за десятилетия. Кроме того, измерение h0, полученное с помощью реликтового излучения, подтверждается независимыми измерениями сопоставимой точности с использованием обзоров галактик. Последнее такое измерение, проведенное коллаборацией Dark Energy Spectroscopic Instrument (Desi), показало, что скорость h0 = 68,5 км/с на мегапарсек, с точностью примерно в 1%, что соответствует значению CMB.

Подходим к творческому подходу

Поэтому теоретикам пришлось проявить творческий подход. Одно из предположений заключается в том, что очень ранняя Вселенная прошла через внезапную фазу усиленного расширения, предшествовавшую излучению реликтового излучения. Это привело к тому, что первые атомы сформировались раньше, чем ожидалось. Идея заключается в том, что "стандартное" CMB-измерение h0 пренебрегло этим эффектом и привело к выводу, что постоянная Хаббла была меньше, чем она есть на самом деле.

Сложность решений такого рода заключается в том, что они также должны предсказывать другие детальные характеристики реликтового излучения, которые были с исключительной точностью измерены спутником Planck и другими телескопами.

Другие предлагаемые решения включают предположения о влиянии магнитных полей на формирование первых атомов или даже о том, что Земля находится в нетипичной части Вселенной, которая расширилась до необычно больших размеров. К сожалению, ни одно из предложенных решений не является убедительным и не соответствует всем имеющимся данным.

Альтернативный, хотя и более прозаичный, ход рассуждений заключается в том, что наша физическая картина Вселенной верна, но при одном или нескольких измерениях не учитывается какой-то наблюдательный эффект. Это вызвало интенсивный интерес к измерениям SH0ES и Planck, как со стороны астрономического сообщества, так и со стороны самих команд. Пока что ни в одном из анализов не было обнаружено ошибок.

Дальнейший путь

Итак, каков же дальнейший путь? Недавно появились некоторые весьма многообещающие методы, использующие альтернативные ступени дистанционной лестницы, которые могут составить конкуренцию измерению SH0ES.

Команда, возглавляемая Венди Фридман, американским пионером современных исследований H0, использовала конкретные звезды, которые попадают в категорию, известную как "верхушка ветви красных гигантов" (TRGB), для новой калибровки расстояний до сверхновых. Этот метод позволяет избежать неопределенностей, присущих использованию цефеид. Интересно, что он дает значение h0 = 69,8 — константу между планковскими и SH0ES, хотя и с большими неопределенностями.

Кроме того, команда Фридмана недавно обнаружила расхождение между расстояниями до галактик, указанными на звездах TRGB и цефеидах, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Если это расхождение подтвердится в ходе будущих анализов, то подход с использованием лестницы расстояний станет гораздо более неопределенным.

Качество измерений h0 неизбежно улучшится благодаря новым данным JWST, новым образцам сверхновых и инновационным методам, таким как использование гравитационных волн от слияния черных дыр. Но помогут ли эти усилия устранить напряженность Хаббла или усугубят ее, еще предстоит выяснить.

На данный момент нашему пониманию Вселенной по-прежнему мешают разногласия в измерениях скорости расширения. Спустя сто лет после своего появления постоянная Хаббла продолжает ставить нас в тупик.

Источник