Вселенная расширяется быстрее, чем мы думали
В декабре человечество, наконец, получило то, чего ученые-астрономы ждали почти вечность: точное расстояние от Земли до звезд. Однако, как часто бывает в науке, новые данные породили предположение о наличии ранее неизвестной загадки, решение которой может стать «открытием века».
Из новых данных может следовать «новая физика»
«Не могу описать, насколько я взволнован», — сказал в интервью научно-просветительскому Quanta Magazine Адам Рисс. Профессор из университета Джонса Хопкинса, получивший Нобелевскую премию по физике 2011 года за совместное открытие темной энергии, занимается сейчас изучением новых данных, взволновавших научное сообщество.
Эти данные были получены 3 декабря с корабля Gaia Европейского космического агентства, который последние шесть лет наблюдал за звездами с высоты более миллиона километров от Земли. Телескоп измерил «параллаксы» 1,3 миллиарда звезд – крошечные сдвиги в видимом положении небесных тел, которые показывают их расстояния от нас.
Самая большая радость для космологов в том, что новый каталог Gaia включает в себя звезды, расстояния до которых служат мерилом для измерения всех наиболее далеких космических расстояний. Но неожиданно новые данные обострили самую большую загадку современной космологии: быстрое расширение Вселенной, известное как «хаббловская напряженность».
Все забеспокоились. Дело в том, что все основные уравнения говорят о том, что в настоящее время она должна расширяться со скоростью 67 километров в секунду на мегапарсек (то есть такова скорость разлета двух галактик, если между ними расстояние в 1 Мпк). И все же фактические измерения постоянно превышают отметку. Галактики слишком быстро удаляются. Это несоответствие наводит на мысль, что в космосе может действовать какая-то неизвестная оживляющая сила.
«Было бы невероятно интересно, если бы появилась новая физика», — сказал Рисс. «Я надеюсь, что из этого получится грандиозное открытие, но вначале нужно убедиться, что наши измерения полностью верны. Прежде, чем мы сможем сказать об этом однозначно, нам предстоит еще немало работы. Сейчас уже меньше неопределенности, так как новые данные о параллаксе, похоже, почти точно определяют расстояния до звезд».
Число из этой главы знает пока очень мало людей на Земле
В статье, опубликованной 15 декабря в The Astrophysical Journal, команда Рисса использовала новые данные. У них получилось зафиксировать скорость расширения на уровне 73,2 километра в секунду на мегапарсек с погрешностью всего 1,8%. Это, по-видимому, устранило большинство несоответствий в ранее полученных данных.
Если бы параллаксы было легко измерить, Копернику было бы гораздо легче отстоять свою правоту. Николай Коперник предположил в 16 веке, что Земля вращается вокруг Солнца. Но, по мнению ученых того времени, если бы Земля двигалась, то близлежащие звезды визуально смещались бы так же, как фонарный столб «двигается» по отношению к заднему плану, когда мы мимо него проезжаем.
Астроном Тихо Браге не обнаружил такого звездного параллакса и, таким образом, пришел к выводу, что Земля не движется.
И все же, это не так, и звезды действительно сдвигаются, просто мы не замечаем этого, так как они очень далеко. Только в 1838 году немецкий астроном Фридрих Бессель обнаружил параллакс звезд. Измеряя угловой сдвиг звездной системы 61 Лебедя относительно окружающих звезд, Бессель пришел к выводу, что она находится на расстоянии 10,3 световых лет от нас. Его измерения отличались от истинного значения всего на 10% – новые измерения Gaia помещают две звезды в системе на расстоянии 11,4030 и 11,4026 световых лет, плюс-минус одна или две тысячных светового года.
Но система 61 Лебедя исключительно близка, а вот звезды Млечного Пути смещаются всего на десятитысячные доли угловой секунды – сотые доли пикселя в современной камере телескопа. Для обнаружения движения требуются специализированные сверхстабильные инструменты. Gaia был разработан для этой цели, но когда он включился, у телескопа возникла непредвиденная проблема.
Телескоп работает, глядя одновременно в двух направлениях и отслеживая угловые различия между звездами в двух своих полях зрения, объяснил Леннарт Линдегрен, который стал соавтором миссии Gaia в 1993 году и руководил анализом новых данных о параллаксе. Для точной оценки параллакса необходимо, чтобы угол между двумя полями обзора оставался фиксированным. Но в начале миссии Gaia ученые обнаружили, что это не так. Телескоп слегка изгибается при вращении по отношению к Солнцу, что приводит к колебаниям в измерениях, имитирующих параллакс. Хуже того, это «смещение» параллакса сложным образом зависит от положения, цвета и яркости объектов.
Однако по мере накопления данных ученым Gaia было легче отделить «поддельный» параллакс от реального. Линдегрену и его коллегам удалось устранить большую часть колебаний телескопа из недавно обнародованных данных о параллаксе, а также разработать формулу, которую исследователи могут использовать для корректировки окончательных измерений в зависимости от положения, цвета и яркости звезды.
Располагая новыми данными, Рисс и его команда смогли пересчитать скорость расширения Вселенной. В общих чертах, для измерения космического расширения нужно выяснить, насколько далеки от нас галактики и как быстро они удаляются от нас. Измерения скорости просты, а вот с расстояниями все сложнее.
«Неизвестный компонент»
Людмила Трубилко, преподаватель физики высшей категории, пояснила это вопрос: «Самые точные измерения полагаются на замысловатую шкалу расстояний в астрономии. Первая ступень состоит из стандартных свечей в нашей галактике и вокруг нее, которые имеют четко определенную светимость и достаточно близки, чтобы демонстрировать параллакс — единственный надежный способ определить, насколько далеко объекты, не путешествуя туда. Затем астрономы сравнивают яркость этих стандартных свечей с яркостью более тусклых свечей в соседних галактиках, чтобы определить расстояние до них. Это вторая ступенька лестницы. Измерение расстояния до галактики, которая содержит яркие звездные взрывы, называемые сверхновыми типа 1a, позволяет космологам оценить относительные расстояния до более далеких галактик, содержащих более слабые сверхновые типа 1a. Отношение скоростей этих далеких галактик к их расстояниям дает скорость космического расширения».
Таким образом, параллаксы имеют решающее значение для всей конструкции. «Вы меняете первую ступеньку», — говорит Трубилко. — «Затем все, что следует за ней, тоже меняется. Если вы измените точность первого шага, изменится точность всего остального».
Физик с надеждой смотрит на открытия своих коллег и видит большой потенциал данных Gaia: «Параллаксы Gaia, безусловно, являются наиболее инновационным и точным определением расстояния из когда-либо существовавших. Новые данные дают астрономам новую надежду. Они, похоже, действительно корректны при внимательных подсчетах и полностью меняют то, как мы смотрим на напряжение Хаббла. Если во вселенной есть какой-то неизвестный нам компонент, который получится обнаружить, то это будет открытием века».
Источник
Можно ли разгадать тайну расширения Вселенной?
Немногим больше ста лет назад никто на нашей планете не знал, что Вселенная расширяется. Но несмотря на все беды и несчастья, которые ХХ век принес человечеству, именно это столетие ознаменовано научно-техническим прогрессом. За невероятно короткий отрезок времени мы узнали о мире и Вселенной больше, чем когда-либо. Идею о том, что наша Вселенная расширяется на протяжении последних 13,8 миллиардов лет впервые предложил бельгийский физик Жорж Леметр в 1927 году. Два года спустя американскому астроному Эдвину Хабблу удалось подтвердить эту гипотезу. Он установил, что каждая галактика удаляется от нас и чем она дальше, тем быстрее это происходит. Сегодня существует множество способов, с помощью которых ученые могут понять, как быстро наша Вселенная увеличивается в размерах. Вот только цифры, которые исследователи получают в процессе измерения, каждый раз получаются разными. Но почему?
C момента своего рождения наша Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью.
Самая большая загадка Вселенной
Как мы знаем сегодня, существует тесная связь между расстоянием до галактики и тем, как быстро она удаляется. Так, скажем, галактика на расстоянии 1 мегапарсек от нашей планеты (один мегапарсек приблизительно равен 3,3 млн световых лет) удаляется со скоростью 70 километров в секунду. А та галактика, что находится несколько дальше, на расстоянии двух мегапарсек, движется в два раза быстрее (140 км/сек).
Интересно и то, что сегодня существует два основных подхода для определения возраста Вселенной или, по-научному, постоянной Хаббла. Разница между этими двумя группами заключается в том, что один набор методов рассматривает относительно близкие объекты во Вселенной, а другой – очень отдаленные. Однако каким бы способом не воспользовались ученые, результаты каждый раз получаются разные. Выходит, либо мы делаем что-то не так, либо где-то далеко во Вселенной происходит нечто абсолютно неведомое.
Исходя из того, что быстрее всего от Земли отдаляются самые далекие галактики, ученые сделали вывод о том, что когда-то все галактики находились в одной точке – по времени это событие совпадает только с Большым взрывом.
В исследовании, недавно опубликованном на сервере препринтов airxiv.org, астрономы, изучая близлежащие галактики, использовали умный метод измерения расширения Вселенной под названием флуктуации поверхностной яркости (surface brightness fluctuations). Это причудливое название, но оно включает в себя идею, которая на самом деле интуитивно понятна.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Представьте, что вы стоите на опушке леса, прямо перед деревом. Так как вы стоите очень близко, вы видите только одно дерево в своем поле зрения. Но стоит отойти немного назад, как перед глазами возникнет больше деревьев. И чем дальше вы будете отходить, тем больше деревьев будете видеть. Примерно то же самое происходит с галактиками, которые ученые наблюдают с помощью телескопов, только гораздо сложнее.
Как узнать скорость расширения Вселенной?
Чтобы получить хорошие статистические данные, астрономы наблюдают за галактиками, расположенными довольно близко к Земле, примерно на расстоянии 300 миллионов световых лет и ближе. Однако наблюдая за галактиками, необходимо учитывать пыль, фоновые галактики и звездные скопления, которые видно на полученных с помощью телескопа изображениях.
Вселенная хитра. Начиная с 1990-х годов астрономы увидели, что очень далекие взрывающиеся звезды всегда были расположены дальше, чем показывали простые измерения. Это привело их к мысли, что сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем раньше, что, в свою очередь, привело к открытию темной энергии — таинственной силы, ускоряющей Вселенское расширение.
На сегодняшний день время Большого взрыва, породившего Вселенную, ученые оценивают с помощью компьютерного моделирования.
Как пишут авторы научной работы, когда мы смотрим на очень далекие объекты, мы видим их такими, какими они были в прошлом, когда Вселенная была моложе. Если скорость расширения Вселенной тогда была иной (скажем, 12-13, 8 миллиарда лет назад), чем сейчас (менее миллиарда лет назад), мы можем получить два разных значения для постоянной Хаббла. Или, быть может, разные части Вселенной расширяются с разной скоростью?
Но если скорость расширения изменилась, значит возраст нашей Вселенной совсем не такой, как мы думаем (ученые используют скорость расширения Вселенной, чтобы определить ее возраст). Это, в свою очередь, означает, что у Вселенной другой размер, а значит время, необходимое для того, чтобы что-то произошло, тоже будет другим.
«Если следовать этой цепочке рассуждений, то в конечном итоге окажется, что физические процессы, происходившие в ранней Вселенной, происходили в разное время. Еще, возможно, были задействованы другие процессы, влияющие на скорость расширения. В общем выходит какой-то бардак. Из чего следует, что либо мы недостаточно хорошо понимаем, как ведет себя Вселенная, либо неправильно ее измеряем», – отмечают авторы исследования.
В любом случае постоянная Хаббла является предметом горячих споров в астрономическом сообществе. Так как новое исследование добавило еще больше вопросов, борьба с неопределенностью будет долгой. Когда-нибудь, конечно, наше понимание космоса изменится. Но когда это произойдет, космологам придется искать что-то еще, о чем можно будет поспорить. Что они обязательно сделают.
Источник
11 научных достижений последних 100 лет, которые подарили нам Вселенную
Ровно 100 лет назад наша концепция Вселенной сильно отличалась от сегодняшней. Люди знали о звездах в Млечном Пути и знали о расстояниях до них, но что за ними — этого никто не знал. Вселенную считали статичной, спирали и эллипсы в небе считали объектами нашей собственной галактики. Ньютонова гравитация пока не была превзойдена новой теорией Эйнштейна, а научные идеи вроде Большого Взрыва, темной материи и темной материи не были на слуху. Но затем, буквально с каждым десятилетием, начали свершаться прорывы за прорывами, и так до сегодняшнего дня. Перед вами хроника Итана Зигеля с Medium.com того, как менялось наше представление о Вселенной за последние сто лет.
Результаты экспедиции Эддингтона в 1919 году показали, что общая теория относительности описывает искривление звездного света возле массивных объектов
1910-е годы: теория Эйнштейна подтвердилась. Общая теория относительности стала известна тем, что давала предсказания, которые не могла дать теория Ньютона: прецессию орбиты Меркурия вокруг Солнца. Но для научной теории было недостаточно просто объяснить что-то, что мы уже наблюдали; она должна была дать прогнозы о том, чего мы еще не видели. Хотя за последние сто лет их было много — гравитационное замедление времени, сильное и слабое линзирование, гравитационное красное смещение и так далее — первым стало искривление звездного света во время полного солнечного затмения, которое наблюдал Эддингтон и его коллеги в 1919 году. Показатель искривления света вокруг Солнца соотносился с прогнозами Эйнштейна и не соотносился с теорией Ньютона. С тех пор наше понимание Вселенной изменилось навсегда.
Открытие Хабблом переменной цефеиды в галактике Андромеда, M31, открыло нам Вселенную
1920-е годы. Мы пока не знали, что за пределами Млечного Пути есть Вселенная, но все изменилось в 1920-х с работой Эдвина Хаббла. Наблюдая за некоторыми спиральными туманностями в небе, он смог точно определить отдельные переменные звезды того же типа, который был известен в Млечном Пути. Только их яркость была настолько низкой, что прямо указывала на миллионы световых лет, пролегающих между нами, помещая их далеко за пределы нашей галактики. На этом Хаббл не остановился. Он измерил скорость рецессии и расстояния до десятков галактик, существенно расширив границы известной нам Вселенной.
Две ярких больших галактики в центре кластера Кома, NGC 4889 (слева) и чуть поменьше NGC 4874 (справа), каждые больше миллиона световых лет в размере. Через весь кластер, как полагают, проходит огромное гало темной материи
1930-е. Долгое время считалось, что если бы вы могли измерить всю массу, содержащуюся в звездах, и, возможно, добавить газа и пыли, вы бы смогли подсчитать всю материю во Вселенной. Тем не менее, наблюдая за галактиками в плотном скоплении (вроде кластера Кома), Фриц Цвикки показал, что звезд и так называемой «обычной материи» (то есть атомов) недостаточно, чтобы объяснить внутреннее движение этих скоплений. Он назвал новую материю темной материи (dunkle materie), и до 1970-х годов его наблюдения по большей части игнорировали. Потом же обычную материю изучили получше и выяснилось, что темной материи содержится довольно много в отдельных вращающихся галактиках. Теперь мы знаем, что темная материя по массе превосходит обычную в 5 раз.
1940-е. Хотя большая часть экспериментальных и наблюдательных ресурсов ушла разведывательным спутникам, ракетной инженерии и развитию ядерных технологий, физики-теоретики продолжали работать не покладая рук. В 1945 году Георгий Гамов создал полную экстраполяцию расширяющейся Вселенной: если Вселенная расширяется и остывает сегодня, когда-то в прошлом она должна была быть плотнее и жарче. Следовательно, однажды в прошлом было время, когда Вселенная была слишком горяча и нейтральные атомы не могли формироваться, а до этого и атомные ядра не могли формироваться. Если это так, то до формирования каких бы то ни было звезд материя Вселенной началась с легчайших элементов, а в наше время можно наблюдать послесвечение той температуры во всех направлениях — всего несколько градусов выше абсолютного нуля. Сегодня эта теория известна как теория Большого Взрыва, и в 1940-х годах даже не подозревали, насколько она великолепна.
1950-е. Конкурирующей идеей с гипотезой Большого Взрыва была стационарная модель Вселенной, выдвинутая Фредом Хойлом и другими. Что характерно, обе стороны утверждали, что все тяжелые элементы, присутствующие на Земле сегодня, были сформированы в стадии ранней Вселенной. Хойл и его коллеги утверждали, что они были сделаны не в раннем, горячем и плотном состоянии, а скорее в предыдущих поколениях звезд. Хойл, вместе с коллегами Вилли Фаулером и Маргарет Бербидж, подробно объяснили, как элементы выстраивают периодическую таблицу в процессе ядерного синтеза в звездах. Что особенно любопытно, они предсказали синтез углерода из гелия в процессе, который мы никогда прежде не наблюдали: тройной альфа-процесс, требующий существования нового состояния углерода. Это состояние было открыто Фаулером спустя несколько лет после изначального прогноза Хойла и сегодня известно как углеродное состояние Хойла. Так, мы выяснили, что все тяжелые элементы, существующие на Земле, обязаны своим происхождением всем предыдущим поколениям звезд.
Если бы мы могли видеть микроволновый свет, ночное небо выглядело бы как зеленый овал с температурой 2,7 Кельвина, с «шумом» в центре, внесенным горячими вкладами нашей галактической плоскости. Это равномерное излучение с чернотельным спектром свидетельствует о послесвечении Большого Взрыва: это космический микроволновый фон
1960-е. Спустя 20 лет дискуссий ключевое наблюдение, которое должно было определить историю Вселенной, было сделано: открытие предсказанного послесвечения от Большого Взрыва, или космического микроволнового фона. Это равномерное излучение с температурой 2,725 Кельвина было обнаружено в 1965 году Арно Пензиасом и Бобом Уилсоном, ни один из которых не понял сразу, на что наткнулся. Только со временем чернотельный спектр этого излучения и его флуктуации были измерены и показали, что наша Вселенная началась со «взрыва».
Самая ранняя стадия Вселенной, еще до Большого Взрыва, заложила все изначальные условия для всего, что мы видим сегодня. Это была большая идея Алана Гута: космическая инфляция
1970-е. В самом конце 1979 года молодой ученый вынашивал свою идею. Алан Гут искал способ разрешить некоторые необъяснимые проблемы Большого Взрыва — почему Вселенная настолько плоская пространственно, почему она одной температуры во всех направлениях и почему в ней нет реликтов высочайших энергий — и пришел к идее космической инфляции. Согласно этой идее, до того как Вселенная вошла в горячее плотное состояние, было состояние экспоненциального расширения, когда вся энергия была присуща самой ткани пространства. Потребовалось несколько улучшений изначальных идей Гута, чтобы образовалась современная теория инфляции, но последующие наблюдения — включая флуктуации космического микроволнового фона — подтвердили ее предсказания. Вселенная не только началась со взрыва, но у нее было и другое особенное состояние еще до того, как произошел этот Большой Взрыв.
Остатки сверхновой 1987a, расположенной в Большом Магеллановом облаке в 165 000 световых годах от нас. Свыше трехсот столетий она была самой ближайшей наблюдаемой сверхновой к Земле
1980-е. Может показаться, что не произошло ничего серьезного, но именно в 1987 году с Земли наблюдали ближайшую к нам сверхновую. Такое происходит раз в сто лет. Также это была первая сверхновая, которая произошла, когда у нас были детекторы, способные найти нейтрино, рожденные в ходе таких событий. Хотя мы видели много сверхновых в других галактиках, мы никогда не наблюдали их так близко, чтобы засвидетельствовать нейтрино от них. Эти 20 нейтрино или около того ознаменовали начало нейтринной астрономии и последующие разработки, которые привели к осцилляциям нейтрином, обнаружению нейтринных масс и нейтрины от сверхновых, которые происходят в галактиках в миллионах световых лет от нас. Если бы современные наши детекторы функционировали в нужный момент, следующая вспышка сверхновых позволила бы уловить сотни тысяч нейтрино.
Четыре возможных судьбы Вселенной, из которых последняя лучше всего вписывается в данные: Вселенная с темной энергией. Впервые ее обнаружили благодаря наблюдениям за далекими сверхновыми
1990-е. Если вы думали, что темная материя и открытие начала Вселенной были серьезными открытиями, представьте, какой шок был в 1998-м, когда обнаружили, что Вселенную ждет конец. Исторически мы воображали три возможных судьбы:
- Расширения Вселенной будет недостаточно, чтобы преодолеть гравитационное притяжение всего и вся, и Вселенная заново сожмется в Большом Сжатии
- Расширения Вселенной будет слишком много, и все объединенное гравитацией разбежится, и Вселенная замерзнет
- Либо мы окажемся на границе этих двух исходов и темп расширения будет асимптотически стремиться к нулю, но никогда его не достигнет: Критическая Вселенная
Вместо этого, впрочем, далекие сверхновые показали, что расширение Вселенной ускоряется и что по мере истечения времени далекие галактики все быстрее удаляются друг от друга. Вселенная не просто замерзнет, но и все галактики, не привязанные одна к другой, в конечном счете исчезнут за нашим космическим горизонтом. Помимо галактик в нашей местной группе, никакие галактики Млечный Путь уже не встретят, и наша судьба будет холодной и одинокой. Через 100 миллиардов лет мы не увидим никаких галактик, кроме нашей.
2000-е. Наши измерения флуктуаций (или несовершенств) послесвечения Большого Взрыва научили нас невероятному: мы узнали в точности, из чего состоит Вселенная. Данные с COBE заменили данные с WMAP, которые, в свою очередь, улучшил Планк. Все вместе, данные крупномасштабных структур от больших обследований галактик (вроде 2dF и SDSS) и данные по далеким сверхновым, предоставили нам современную картину Вселенной:
- 0,01% излучения в форме фотонов,
- 0,1% нейтрино, которые вносят легкий вклад в гравитационные гало, окружающие галактики и скопления,
- 4,9% обычной материи, которая включает все, состоящее из атомных частиц,
- 27% темной материи, или загадочных, невзаимодействующих (кроме как гравитационно) частиц, которые обеспечивают Вселенную структурой, которую мы наблюдаем,
- 68% темной энергии, которая присуща самому пространству.
2010-е. Это десятилетие еще не закончилось, но мы уже нашли наши первые потенциально обитаемые планеты, похожие на Землю (хоть и очень отдаленно), среди тысяч и тысяч новых экзопланет, обнаруженных миссией «Кеплер» NASA. Возможно, это не самое большое открытие десятилетия, потому что прямое обнаружение гравитационных волн, сделанное LIGO, подтвердило картину, нарисованную Эйнштейном еще в 1915 году. Спустя более века после того, как теория Эйнштейна впервые бросила вызов Ньютону, общая теория относительности прошла через все испытания и тесты, которые ей предлагались.
Научная история еще пишется, и еще многое во Вселенной предстоит открыть. Но эти 11 шагов вывели нас из Вселенной неизвестного возраста, размером не больше нашей галактики, состоящей по большей части из звезд, в расширяющуюся, остывающую Вселенную, управляемую темной материей, темной энергией и нашей обычной материей. В ней множество потенциально обитаемых планет, ей 13,8 миллиарда лет, и началась она с Большого Взрыва, который сам по себе вытек из космической инфляции. Мы узнали о происхождении Вселенной, о ее судьбе, о внешнем виде, устройстве и размерах — и все за 100 лет. Возможно, следующие 100 лет будут полны сюрпризов, которые мы даже представить не можем.
Источник