63.7K
С помощью космического телескопа «Hubble» астрономы провели самые точные измерения скорости расширения Вселенной, впервые рассчитанной почти столетие назад, и получили интригующие результаты. Новые данные показывают, что Вселенная расширяется быстрее, чем ожидалось. Это несоответствие, по мнению исследователей, может объяснить только новая физика.
Команда нобелевского лауреата Адама Рисса из Института космического телескопа и Университета Джона Хопкинса в Балтиморе (США) использует «Hubble» в течение последних шести лет для уточнения расстояний до галактик по звездам. Результаты этой работы применяются в расчете постоянной Хаббла. Команда Рисса определила несоответствие ожидаемому значению, полученному спутником ESA «Planck» в результате наблюдений за расширением Вселенной через 378 000 лет после Большого взрыва. Разница между этими двумя значениями составляет около 9 процентов.
Результат «Planck» предсказал, что постоянная Хаббла должна составлять 67 километров в секунду на мегапарсек (1 мегапарсек = 3,3 миллиона световых лет). Но результаты команды Рисса показали, что коэффициент ускорения расширения Вселенной составляет 73 километра в секунду на мегапарсек, что указывает на то, что галактики движутся быстрее, чем предполагают наблюдения ранней Вселенной.
Данные «Hubble» настолько точны, что астрономы не могут проигнорировать расхождение данных как погрешность метода. Оба результата были проверены несколькими способами, и велика вероятность того, что это не ошибка, а неизвестное ранее свойство Вселенной.
Объяснение несоответствия
Рисс рассказал о возможных объяснениях, связанных с 95 процентами Вселенной, окутанными тьмой. Одно из них заключается в том, что темная энергия, отвечающая за ускоренное расширение Вселенной, может расталкивать галактики с растущей силой. Это означает, что само ускорение может не иметь постоянного значения.
Другая идея состоит в том, что Вселенная содержит неизвестную субатомную частицу со скоростью близкой к скорости света. Такие быстрые частицы в совокупности называются «темным излучением» и включают в себя ранее известные частицы, такие как нейтрино, которые создаются в ядерных реакциях и радиоактивных распадах. В отличие от нормального нейтрино, которое взаимодействует по субатомной силе, эта новая частица будет взаимодействовать только через гравитацию.
Третья возможность заключается в том, что темная материя сильнее взаимодействует с нормальным веществом, чем предполагалось ранее.
Любой из этих сценариев изменит представление о ранней Вселенной и приведет к несогласованности теоретических моделей. Эти несоответствия приведут к некорректному значению постоянной Хаббла, вытекающей из наблюдений молодого космоса. У Рисса и его коллег еще нет ответов на эту неприятную проблему, но его команда продолжит работу по уточнению скорости расширения Вселенной.
Строительство строгой дистанционной лестницы
Команда добилась успеха в уточнении постоянной Хаббла, упорядочивая и расширяя космическую дистанционную лестницу, которую астрономы используют для определения точных расстояний до галактик, расположенных в ближней Вселенной. Сравнивая эти расстояния с предполагаемым расширением пространства, измеренном по «растяжению света» от удаляющихся галактик, исследователи смогли вычислить постоянную Хаббла.
Но значение константы напрямую зависит от точности измерений. Астрономы не могут использовать рулетку для определения расстояний между галактиками. Вместо этого они выбрали определенные классы звезд и сверхновых в качестве космических маркеров.
Для небольших расстояний наиболее надежными являются цефеиды – переменные, пульсирующие звезды с довольно точной зависимостью период-светимость. Одной из наиболее известных цефеид является Полярная звезда. Благодаря их уникальным свойствам они используются как эталоны светимости при определении расстояний до удаленных объектов.
Американский астроном Генриетта Ливитт первой сообщила о роли переменных цефеид в измерении расстояний в 1913 году. Но важным шагом в этом процессе является определение удаленности от Земли самих цефеид, и здесь на помощь приходит инструмент, называемый параллаксом. Параллакс – это видимое смещение позиции далекого объекта из-за изменения точки зрения наблюдателя. Этот метод был изобретен древними греками, которые использовали его для измерения расстояния от Земли до Луны.
Последний результат «Hubble» основан на измерениях параллакса восьми недавно проанализированных цефеид в нашей галактике Млечный Путь. Эти звезды примерно в 10 раз дальше, чем все ранее изученные, и проживают на расстояниях от 6000 до 12 000 световых лет от нас. Они пульсируют с более длинными интервалами, чем те, что наблюдались телескопом в далеких галактиках, содержащих еще один надежный маркер – сверхновые типа Ia, которые вспыхивают с одинаковой яркостью.
Сканирование звезд
Чтобы измерить параллакс с помощью «Hubble», команде пришлось определить кажущееся крошечное колебание цефеид из-за движения Земли вокруг Солнца. Эти колебания составляют всего лишь 1/100 одного пикселя на снимках телескопа, что сопоставимо размеру песчинки, видимой с расстояния около 160 километров.
Для обеспечения точности измерений астрономы разработали новый метод, который не предполагался инженерами при проектировании телескопа. Исследователи изобрели технологию сканирования, в ходе которой «Hubble» фиксировал положение звезд тысячу раз в минуту каждые шесть месяцев в течение четырех лет.
Получив истинную яркость восьми медленно пульсирующих звезд в Млечном пути и перекрестно сравнив ее с яркостью их мигающих кузенов в далеких галактиках, исследователи устранили неточности измерений, что позволило им более точно вычислить расстояния до сотен сверхновых в далеких галактиках.
«Новый метод позволил нам измерять чрезвычайно крошечные смещения за счет параллакса. Мы измеряли расстояние между двумя звездами с разных позиций более тысячи раз, что уменьшило погрешность», – пояснил Адам Рисс.
Следующая цель команды заключается в еще большем уменьшении погрешности при использовании измерений телескопов «Hubble» и «Planck», которые продолжат сканировать звезды и помогать определять расстояния до них с беспрецедентной точностью, что позволит выявить причины несоответствия.