Главная Астрономия Астрофизики предложили новый метод измерения постоянной Хаббла

Стандартная космологическая модель накануне большой ревизии

Результаты исследования космического телескопа "Хаббл", проведенного в 2018 году, подтвердили наболевшее несоответствие постоянной Хаббла. Сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем ожидалось. Несоответствие касается и траектории, полученной вскоре после Большого взрыва, пишет Альтернативная наука.

Тогда исследователи намекнули, что может существовать новая физика для объяснения несоответствия, известного как "напряжение Хаббла".

"Сообщество действительно пытается понять смысл этого несоответствия", - говорил ведущий исследователь и Нобелевский лауреат Адам Рисс из Научного института космического телескопа (STScI) и Университета Джона Хопкинса.

Один из методов измерения постоянной Хаббла основан на определении расстояний и скоростей рецессии близлежащих галактик в локальной Вселенной. Так делал сам Эдвин Хаббл почти столетие назад.

Данный метод требует точной калибровки яркости, цвета и расстояний пульсирующих переменных звезд Цефеид в Млечном Пути и Большом Магеллановом Облаке (первая ступень космологической лестницы расстояний).

Периоды пульсаций Цефеид сильно коррелируют с их собственной светимостью, поэтому они служат стандартными свечами для измерения расстояний до более удаленных галактик (вторая ступень).

Затем гиганты используются для калибровки яркости более ярких сверхновых типа Ia, которые образуются при взрывах белых карликовых звезд в бинарных звездных системах и служат стандартными свечами для измерения расстояний до еще более удаленных галактик (третья ступенька).

Второй метод измерения постоянной Хаббла основано на результатах наблюдений спутника Планка за реликтовым послесвечением Большого взрыва, возникшим 13,8 миллиардов лет назад.

Снимки карликовой галактики Большое Магеланово облако. В изображении  объединены данные от космических телескопов «Чандра» и «Хаббл»

Измерения Планка в сочетании со стандартными моделями космологии, включая темную энергию и темную материю, предсказывают, что его текущее значение в локальной Вселенной должно быть ниже, чем непосредственно измеренное по Цефеидам и сверхновым типа Ia.

Летним утром 2017 года, пролетев более ста миллионов лет, отблески мощного столкновения в далекой-далекой галактике наконец достигли Земли. В 2019 году астрофизик из Чикагского университета Дэниел Хольц понял, что когда гравитационные волны встревожили два сверхчувствительных детекторах LIGO, он получил информацию, необходимую для нового революционного измерения самых важных чисел в астрофизике - постоянной Хаббла.

"Один из двух методов измеряет яркость сверхновых - взрывающихся звезд - в далеких галактиках, - объясняет Хольц, - а другой изучает крошечные флуктуации космического микроволнового фона - слабого света, оставшегося после Большого взрыва".

Ученые уже два десятилетия работают над повышением точности и достоверности каждого измерения, а также над тем, чтобы исключить любые эффекты, которые могли бы повлиять на результаты. Однако эти два значения по-прежнему упрямо расходятся почти на 10%.

"Постоянная Хаббла, - пишет Хольц, - содержит ответы на важные вопросы о Вселенной, такие, как ее размер, возраст и история. Но два основных способа определения ее значения давали существенно разные результаты. Теперь появился третий способ, который может разрешить один из самых острых вопросов в астрономии или укрепить закрадывающееся подозрение, которого придерживаются многие в этой области, что в нашей модели не хватает чего-то существенного".

Самая важная задача в космологиии

"В 1998 году, - отмечает Хольц, - ученые были ошеломлены, обнаружив, что скорость расширения не замедляется по мере старения Вселенной, а ускоряется с течением времени. В последующие десятилетия, когда они пытались точно определить эту скорость, стало очевидно, что разные методы дают разные ответы".

 

"Поскольку метод сверхновых рассматривает относительно близкие объекты, а космический микроволновый фон гораздо более древний, возможно, что оба метода верны - что-то глубокое во Вселенной изменилось с начала времен".

"Мы не знаем, имеет ли один или оба метода какую-то систематическую ошибку, или они действительно отражают фундаментальную истину о Вселенной, которая отсутствует в наших текущих моделях, - продолжаеь Хольц. - Возможно и то, и другое".

"В мгновение ока у нас появился совершенно новый, абсолютно независимый способ измерения одной из самых глубоких величин в физике. Этот день я буду помнить всю жизнь".

"Знание точного значения постоянной Хаббла (H0) остается одной из самых важных задач в космологии", - пишет Хольц в своем электронном письме The Daily Galaxy.

"Измерения H0 с помощью различных подходов, по-видимому, не совпадают, и причины этих расхождений в настоящее время остаются непрозрачными. Будущие данные должны пролить свет на эти измерения, что, предположительно, приведет либо к сближению в едином значении для H0, либо к закреплению различных значений в зависимости от подхода к измерению. Любое из этих событий станет важным шагом вперед в нашем понимании Вселенной".

Местная постоянная Хаббла и межзвездная пыль

Другая группа астрономов под руководством Эдварда Мертселла из Стокгольмского университета предположила, что ранее измеренная местная постоянная Хаббла может быть неточной из-за систематических вариаций свойств межзвездной пыли в разных галактиках.

 

Межзвездная пыль легче рассеивает синий свет, краснея и гася излучение, проходящее сквозь пыль. Например, Солнце кажется краснее и тусклее, если смотреть на него низко над горизонтом вблизи заката, потому что пыль и молекулы воздуха в атмосфере Земли рассеивают синий свет за пределами прямой видимости. Степень покраснения и экстинкции пыли зависит от размера и состава пылевых зерен.

Предыдущие исследования постоянной Хаббла предполагали, что все галактики содержат межзвездную пыль, которая подчиняется одному и тому же закону покраснения.

Однако в недавно представленной работе Мертселл и его коллеги продемонстрировали, что наша галактика Млечный Путь и ее спутник, Большое Магелланово Облако, где калибруются яркость и цвет Цефеид, имеют иные свойства межзвездной пыли, чем более удаленные галактики.

После учета различий в свойствах пыли в разных галактиках, они измерили местную постоянную Хаббла, согласующуюся с результатами Планка в более ранней Вселенной и намного ниже ранее измеренного командой Рисса местного значения постоянной Хаббла.

Работа все еще находится на лицензии, но препринт научной статьи, представленной в мае 2021 года, называется "Напряжение Хаббла кусает пыль: чувствительность определения постоянной Хаббла к калибровке цвета цефеид".

Другие астрономы сейчас пытаются подтвердить этот результат, чно пока данные измерений непубличны.

Новый метод

Слияние бинарных нейтронных звезд в 2017 году, первоначально обнаруженное LIGO с помощью гравитационных волн и впоследствии зафиксированное в оптическом и инфракрасном диапазонах, произошло слишком близко, на расстоянии 130 миллионов световых лет. Поэтому нельзя гарантировать точное измерение постоянной Хаббла.

Молодое звёздное скопление Вестерлунд 2 во Млечном пути, возрастом от одного до двух миллионов лет

В настоящее время LIGO модернизируется и вскоре станет более чувствительнjq к отдаленным столкновениям нейтронных звезд, которые могут обеспечить необходимую точность измерения, - до нескольких процентов.

Таким образом, LIGO вскоре даст независимое измерение местной постоянной Хаббла, свободное от вышеупомянутых проблем калибровки Цефеид и покраснения пыли.

"Мы обнаружили, что галактики находятся ближе, чем предсказывает стандартная модель космологии. Есть проблемы, возникшие при проведении контрольных измерений. В нашей работе используется метод измерения расстояний, совершенно независимый от других, и мы усиливаем расхождение между измеренными и предсказанными значениями. Скорее всего, проблема заключается в базовой космологической модели, задействованной в предсказаниях", - уверен Джеймс Браатц из Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO), возглавляющий Megamaser Cosmology Project.

Проект представляет собой международные усилия по измерению постоянной Хаббла путем поиска галактик со специфическими свойствами, которые позволяют получить новый набор точных расстояний.

При этом планируется использовать международную коллекцию радиотелескопов, что значительно увеличит вероятность пересмотра базовых принципов Стандартной модели.

В рамках проекта NRAO использовались телескопы Very Long Baseline Array (VLBA) Национального научного фонда, Very Large Array (VLA) Карла Г. Янски и Green Bank Telescope (GBT) Роберта К. Берда, а также телескоп Эффельсберг в Германии.