Астрономы использовали космический телескоп «Хаббла», чтобы сделать самые точные измерения скорости расширения Вселенной, которая была впервые рассчитана почти столетие назад. Новые результаты заставили астрономов задуматься о том, что они получили доказательства чего-то неожиданного в работе Вселенной.
Последнее уточнение постоянной Хаббла подтверждает несоответствие, показывающее, что Вселенная расширяется быстрее, чем ожидалось. Исследователи предполагают, что для объяснения этого, возможно, придется переписать некоторые законы физики. «Сообщество действительно борется с пониманием смысла этого несоответствия», — сказал ведущий исследователь и лауреат Нобелевской премии Адам Рисс из Института космических телескопов (STScI) и Университета Джона Хопкинса, Балтимор, штат Мэриленд.
Команда Рисса вместе со Стефано Казертано, который также является исследователем в STScI, использовала телескоп «Хаббл» в течение последних шести лет, чтобы уточнить измеренные расстояния до галактик, используя их звезды в качестве вех. Эти измерения нужны для определения того, насколько быстро вселенная расширяется со временем, то есть для определения постоянной Хаббла. Новое исследование команды Рисса использует для этого гораздо большее количество звезд, находящихся на расстояниях до 10 раз дальше, чем в предыдущих результатах, полученных с телескопа «Хаббл».
Но полученная Риссом величина серьезно не сходится с другим значением постоянной Хаббла, полученным в результате наблюдений за расширением ранней Вселенной, всего через 378 000 лет после Большого взрыва — события, которое, собственно, создало Вселенную примерно 13,8 миллиардов лет назад. Эти измерения были сделаны спутником «Планк» Европейского космического агентства, который исследует космический микроволновый фон, реликвию Большого взрыва. Разница между этими двумя значениями составляет около 9%. Новые измерения, полученные с помощью «Хаббла», настолько точны (шанс ошибки 1 к 5000), что такую разницу нельзя списывать на погрешность.
По результатам, полученным с помощью спутника «Планк», ученые высчитали, что постоянная Хаббла должна составлять 67 километров в секунду на мегапарсек (1 мегапарсек = 3,3 миллиона световых лет) и не может быть не больше 69 (км/с)/Мпк. Это означает, что с удалением на каждые 3,3 миллиона световых лет дальше от нас галактика движется на 67 км/с быстрее. Но команда Рисса измерила значение в 73 (км/с)/Мпк, что указывает на то, что галактики движутся быстрее, чем предполагают наблюдения за ранней Вселенной. «Оба результата были проверены несколькими способами, поэтому, раз ошибок нет, есть вероятность того, что это просто свойство Вселенной» — поясняет Рисс.
Объяснение несоответствия
Рисс рассказал о нескольких возможных объяснениях несоответствия, связанных с 95% Вселенной, состоящих из темной материи и энергии. Одна из идей заключается в том, что темная энергия, про которую уже известно то, что она отвечает за расширение Вселенной, может «растаскивать» галактики друг от друга с постоянно растущей силой. Это означает, что само ускорение может не иметь постоянного значения во Вселенной, то есть оно зависит от времени. Рисс был одним из тех, кто получил Нобелевскую премию за открытие ускоряющейся вселенной в 1998 году.
Другая идея состоит в том, что во Вселенной есть новая субатомная частица, которая имеет скорость, близкую к скорости света. Такие быстрые частицы в совокупности называются «темным излучением» и включают ранее известные частицы, такие как нейтрино, которые создаются в ядерных реакциях и радиоактивных распадах. В отличие от обычного нейтрино, которое взаимодействует с веществом при помощи субатомных сил, эта новая частица взаимодействует только через гравитацию и будет называться «стерильным нейтрино».
Еще одна возможная идея заключается в том, что темная материя (невидимая форма материи, не состоящая из протонов, нейтронов и электронов) сильнее взаимодействует с нормальным веществом или излучением, чем предполагалось ранее.
Любой из сценариев выше изменит наше представление о ранней вселенной, что приведет к несогласованности теоретических моделей. Эти несоответствия приведут к некорректному значению постоянной Хаббла, вытекающему из наблюдений за ранней Вселенной — а, значит, оно будет противоречить значению, полученному из наблюдений «Хаббла».
У Рисса и его коллег еще нет решения этой неприятной проблемы, но его команда будет продолжать работать над уточнением скорости расширения Вселенной. До сих пор команда Rисса, которую назвали в шутку Supernova H0 for the Equation of State (SH0ES, Сверхновая для уравнения состояния), уменьшила погрешность определения постоянной Хаббла до 2,3%. До того, как телескоп «Хаббл» был запущен в 1990 году, оценки постоянной Хаббла менялись вдвое. Одна из основных задач телескопа заключалась в том, чтобы помочь астрономам уменьшить погрешность в измерении этой величины до 10%. С 2005 года SH0ES была занята увеличением точности измерения постоянной Хаббла, чтобы лучше понять поведение Вселенной.
Строительство строгой дистанционной модели Вселенной
Команда добилась успеха в уточнении постоянной Хаббла, упорядочивая и дополняя космическую дистанционную «лестницу», которую астрономы используют для измерения точных расстояний до ближайших к Земле галактик. Исследователи сравнили эти расстояния с данными о расширении пространства, полученными при изучении «растянутого света» от удаляющихся галактик. Затем они вычислили кажущуюся скорость разбегания галактик на каждом расстоянии и тем самым получили постоянную Хаббла.
Но значение постоянной Хаббла напрямую зависит от точности измерений. Астрономы не могут использовать рулетку для измерения расстояний между галактиками. Вместо этого они выбрали определенные классы звезд и сверхновых в качестве своеобразных космических вех, чтобы точно измерять галактические расстояния.
Измерить небольшие расстояния точнее всего позволяют цефеиды — пульсирующие звезды, с достаточно точной зависимостью светимость-период. Поэтому расстояния до них можно определить, сравнивая их реальную светимость с той, которую видно на Земле.
Астроном Генриетта Ливитт первой признала полезность пульсации цефеид для измерения расстояний в 1913 году. Но первым шагом является измерение расстояний до цефеид независимо от их светимости, с использованием основного инструмента для определения расстояний в космосе — речь идет о параллаксе. Параллакс — это видимое смещение объекта из-за изменения точки зрения наблюдателя (в нашем случае — из-за вращения Земли вокруг Солнца). Этот метод был изобретен древними греками, которые использовали его для измерения расстояния от Земли до Луны.
Последние измерения телескопа «Хаббл» позволили узнать параллакс восьми недавно открытых цефеид в нашей галактике Млечный Путь. Эти звезды примерно в 10 раз дальше, чем все ранее изученные, и находятся на расстояниях между 6000 и 12 000 световых лет от Земли, что делает их достаточно сложными для изучения. Они пульсируют с более длинными интервалами, точно так же, как и цефеиды, наблюдаемые «Хабблом» в далеких галактиках, содержащих еще один надежный критерий определения расстояния — взрывающиеся звезды, так называемые сверхновых типа Ia. Этот тип сверхновых вспыхивает с одинаковой яркостью. Предыдущие наблюдения «Хаббла» позволили получить расстояния до десяти более быстро пульсирующих цефеид, расположенных на расстояниях от 300 до 1600 световых лет от Земли.
Сканирование звезд
Чтобы измерить параллакс с помощью «Хаббла», команде пришлось измерить крошечное колебание цефеид из-за движения Земли вокруг Солнца. Эти колебания составляют всего лишь 1/100 одного пикселя на телескопе, что примерно равно размеру песчинки с расстояния 100 километров.
Поэтому для обеспечения точности измерений астрономы разработали новый метод, который не предполагалось использовать при запуске «Хаббла». Исследователи изобрели технологию сканирования, в которой телескоп регистрировал положение звезды тысячу раз в минуту каждые шесть месяцев в течение четырех лет.
Команда Рисса получила истинную яркость восьми медленно пульсирующих ближайших звезд и перекрестно сравнила е с яркостью их более отдаленных мигающих кузенов, чтобы снизить неточности в дистанционной «лестнице». Затем исследователи сравнили расстояния, полученные при помощи пульсации цефеид и при помощи сверхновых в этих галактиках, что позволило им еще более точно измерять истинную яркость звезд и, следовательно, более точно вычислять расстояния до сотен сверхновых в дальних галактиках.
Другим преимуществом этого исследования является то, что команда использовала один и тот же инструмент — широкополосную камеру «Хаббла» — чтобы узнать светимости как близлежащих цефеид, так и находящихся в других галактик, устраняя тем самым систематические ошибки, которые практически неизбежно вводятся путем сравнения этих измерений, полученных с разных телескопов.
«Обычно, если вы каждые полгода пытаетесь измерить изменение положения одной звезды относительно другой на этих расстояниях, вы ограничены в своей способности точно определять, где находится искомая звезда», — объяснил Казертано. Используя новую технику, «Хаббл» медленно вращается вокруг Солнца и захватывает изображение нужной звезды как полоску света. «Этот метод позволяет повторять возможности измерения чрезвычайно крошечных смещений из-за параллакса», — добавил Рисс. «Вы измеряете расстояние между двумя звездами используя не один снимок в одной точке пространства, а более тысячи снимков с разных мест, тем самым уменьшая погрешность измерений».
Следующая цель команды состоит в том, чтобы еще больше уменьшить погрешность в определении расстояний до звезд, используя данные «Хаббла» и «Планка». «Точность — вот то, что потребуется, чтобы узнать причину несоответствия полученных результатов», — говорит Казертано.
