Постоянная Хаббла возвращает различные результаты по неизвестной причине
Пока существовала Вселенная — пространство расширялось. Она возникла примерно 13,8 миллиарда лет назад и с тех пор надувается, как гигантский космический шар.
Текущая скорость этого расширения называется постоянной Хаббла или H0, и это одно из фундаментальных измерений Вселенной.
Если вы знаете постоянную Хаббла, вы можете рассчитать возраст Вселенной. Вы можете рассчитать размер Вселенной. Вы можете более точно рассчитать влияние таинственной темной энергии, которая движет расширением Вселенной. И, забавный факт, H0 — одно из значений, необходимых для расчета межгалактических расстояний.
Однако есть огромная проблема. У нас есть несколько высокоточных методов определения постоянной Хаббла . и эти методы продолжают возвращать разные результаты по неизвестной причине.
Это может быть проблема с калибровкой наших методов измерения, которые мы используем для выяснения космических расстояний (подробнее о них чуть позже). Это может быть и какое-то неизвестное свойство темной энергии.
Или, возможно, наше понимание фундаментальной физики неполно. Чтобы решить эту проблему, вполне может потребоваться прорыв, за который полагаются Нобелевские премии.
Итак, с чего начнем?
Основы
Художественное представление распределения темной материи во Вселенной. Фото: NASA
Постоянная Хаббла обычно выражается с помощью необычной комбинации единиц измерения расстояния и времени — километров в секунду на мегапарсек или (км/с) / Мпк; мегапарсек составляет около 3,3 миллиона световых лет.
Эта комбинация необходима, потому что расширение Вселенной ускоряется. То, что находится дальше от нас, кажется, удаляется быстрее. Гипотетически, если бы мы обнаружили, что галактика на расстоянии 1 мегапарсека удалялась со скоростью 10 км/с, а галактика на расстоянии 10 мегапарсек, казалось, удалялась со скоростью 100 км/с, мы могли бы описать это соотношение как 10 км/с на мегапарсек.
Другими словами, определение пропорционального соотношения между тем, насколько быстро галактики удаляются от нас (км/с) и насколько они далеко (Мпк), дает нам значение H0.
Если бы только был простой способ все это измерить.
Космологи разработали несколько способов определения постоянной Хаббла, но есть два основных метода. В них используются либо стандартные линейки, либо стандартные свечи.
Скорость и расстояние (из бумаг Хаббла 1929 года).
Стандартные линейки основаны на сигналах времен ранней Вселенной, названных Эпохой рекомбинации. После Большого взрыва Вселенная была такой горячей и плотной, что атомы не могли образоваться. Вместо этого существовал только горячий непрозрачный плазменный туман и после примерно 380 000 лет охлаждения и расширения эта плазма наконец начала рекомбинировать в атомы.
Мы полагаемся на два сигнала из этого периода. Первый — космический микроволновый фон (CMB) — свет, вышедший из плазменного тумана, когда материя рекомбинировала, и пространство стало прозрачным. Первый свет — пока слабый — все еще равномерно заполняет Вселенную во всех направлениях.
Колебания температуры реликтового излучения представляют собой расширения и сжатия в ранней Вселенной и должны быть включены в расчеты, которые позволят нам сделать вывод об истории расширения нашей Вселенной.
Второй сигнал называется барионными акустическими колебаниями, и он является результатом сферических акустических волн плотности, которые распространялись через плазменный туман ранней Вселенной и останавливались в Эпоху рекомбинации.
Расстояние, которое акустическая волна могла пройти за этот период времени, составляет примерно 150 мегапарсек; это обнаруживается в изменениях плотности на протяжении всей истории Вселенной, обеспечивая «линейку» для измерения расстояний.
Стандартные свечи, с другой стороны, измеряют расстояние, основанное на объектах в локальной Вселенной. Это не могут быть просто старые звезды или галактики — они должны быть объектами с известной внутренней яркостью, такими как сверхновые типа Ia, переменные звезды цефеид или звезды на вершине ветви красных гигантов.
«Когда вы смотрите на звезды в небе, вы можете очень точно измерить их положение слева и справа, вы можете очень точно указать на них, но вы не можете сказать, как далеко они находятся», — сообщает астрофизик Тамара Дэвис из Университет Квинсленда в Австралии. «Действительно, трудно отличить что-то действительно яркое от далекого или что-то слабое и близкое. Таким образом, люди измеряют это, чтобы найти нечто стандартное. Стандартная свеча — это нечто известной яркости».
И стандартные линейки, и стандартные свечи настолько точны, насколько это возможно. И оба они возвращают разные результаты при использовании для вычисления постоянной Хаббла.
Согласно стандартным правителям, то есть ранней Вселенной, H0 составляет около 67 километров в секунду на мегапарсек. Для стандартных свечей — локальной Вселенной — это около 74 километров в секунду на мегапарсек.
Ни у одного из этих результатов не может быть допустимой погрешности, которая может даже приблизиться к сокращению разрыва между ними.
История разрыва
Астрономы Александр Фридман и Жорж Леметр впервые заметили, что Вселенная расширяется еще в 1920-х годах. К 1929 году Эдвин Хаббл рассчитал скорость расширения на основе стандартных свечей, называемых переменными звездами цефеид, которые периодически меняются по яркости. Поскольку время изменчивости связано с внутренней яркостью этих звезд, они являются отличным инструментом для измерения расстояний.
Но калибровка расстояний была не совсем правильной, что привело к измерению космических расстояний. Таким образом, первые расчеты вернули H0 около 500 километров в секунду на мегапарсек.
«И сразу возникла проблема, поскольку геологи, изучающие Землю, знали, что Земле около 4 миллиардов лет», — сказала Дэвис.
«Если вы рассчитали скорость расширения как 500 км/с, вы можете подсчитать, сколько времени потребовалось бы, чтобы достичь нынешнего размера Вселенной, и это было бы около 2 миллиардов лет. Это означало, что Земля была старше Вселенной — что невозможно».
Такой постоянная Хаббла оставалась примерно до 1950-х годов, когда немецкий астроном Вальтер Бааде обнаружил, что существует два типа переменных звезд-цефеид, что позволило уточнить расчет постоянной Хаббла. Он был снижен до 100 (км/с) / Мпк.
По мере того, как наши технологии, методы и понимание становились все более совершенными, росли и вычисления постоянной Хаббла, а также наша уверенность в них.
«Раньше у нас была погрешность плюс-минус 50», — сказала Дэвис, — «Теперь у нас есть планки погрешностей плюс-минус 1 или 2. Поскольку измерения стали настолько хорошими, то эти методы теперь достаточно разные, и их трудно объяснить ошибками измерений».
Сегодня разница между двумя значениями, известная как напряжение Хаббла, может показаться не очень большой величиной — всего 9,4%.
Но космологам еще предстоит выяснить, в чем причина этого несоответствия. Наиболее очевидной проблемой будет проблема калибровки, но ее источник остается неуловимым.
Несколько разных команд, например, вычислили H0 из реликтового излучения на основе измерений, полученных космической обсерваторией Planck. Возможно, проблема заключается в нашей интерпретации данных. Но исследование реликтового излучения 2019 года, проведенное другим инструментом, Космологическим телескопом Атакама, согласилось с данными Planck.
Кроме того, расчеты H0 по барионным акустическим колебаниям, измеренным совершенно другим прибором, Sloan Digital Sky Survey, дали тот же результат.
Возможно, наши стандартные свечи тоже сбивают нас с пути. Эти объекты сгруппированы по ступеням, образуя «лестницу космических расстояний». Во-первых, параллакс — то, как близкие звезды, кажется, меняют положение относительно более далеких звезд, — используется для проверки расстояний до двух типов переменных звезд.
Следующий шаг в сторону от переменных звезд — внегалактические сверхновые типа Ia. Это похоже на подъем по лестнице все дальше и дальше в космос, и «даже крошечная ошибка на одной из ступеней может позже перерасти в большую ошибку», — отметила Дэвис.
Другие попытки решить проблему связаны с осмыслением самого пространства, которое нас окружает.
Гипотеза пузыря Хаббла, например, основана на идее, что Млечный Путь расположен в «пузыре» относительно низкой плотности во Вселенной, окруженном материалом более высокой плотности. Гравитационный эффект этого материала с более высокой плотностью будет притягивать пространство внутри пузыря, в результате чего локальное пространство расширяется с большей скоростью, чем ранняя Вселенная.
Однако даже если бы все вышеперечисленное действительно усугубляло проблему, это вряд ли дало бы 9,4% несоответствия.
«Люди были весьма изобретательны, придумав возможные пути, по которым методы могут не состыковываться. И до сих пор никто убедительно не утверждал, что какая-то конкретная ошибка может объяснить различия, которые мы видим», — сообщает космолог Мэтью Коллесс из Австралийского национального университета. «Возможно, что целая куча разных мелких ошибок выстроилась в одну линию; но эти источники ошибок не связаны друг с другом. Было бы очень удивительно и крайне неудачно, если бы так случилось. И что все ошибки различного типа мы сделали, все накапливались в одном направлении и повели в одну сторону».
Может быть, виновата физика?
Практически во всех других отношениях наши космологические модели работают замечательно. Таким образом, если вы попытаетесь изменить один из основных компонентов постоянной Хаббла, что-то еще может сломаться.
«Вы можете изменить стандартную линейку», — сказал Коллесс, — «Но затем вы нарушите некоторые другие сделанные наблюдения — количество материи во Вселенной, масса нейтрино — и другие подобные вещи, хорошо измеренные и объясненные текущей моделью, но нарушенные изменениями, которые необходимо внести, чтобы «исправить» стандартную линейку».
Что приводит к чему? Это проблема . фундаментальной физики?
«Я вполне обоснованно полагаю, что это, скорее всего, ошибка», — отметила Дэвис, — «Но действительно трудно объяснить, откуда могла взяться эта ошибка в текущих измерениях. Это интригующее расхождение. И действительно интересно попытаться выяснить — почему так случилось».
Напряжение Хаббла — скользкая проблема, бросающая вызов любой попытке найти решение, которое могут придумать космологи.
Возможно, есть что-то, чего не учитывает общая теория относительности. Это было бы дико: теория Эйнштейна выдержала одно испытание за другим, но мы не можем сбрасывать со счетов такую возможность.
Естественно, есть и другие возможности, например неизвестная темная энергия. Мы не знаем, что такое темная энергия, но, похоже, это фундаментальная сила, ответственная за отрицательное давление, ускоряющее расширение нашей Вселенной.
«Наша единственная смутная идея состоит в том, что это космологическая постоянная Эйнштейна, энергия вакуума», — сказал Коллесс, — «Но мы действительно не знаем, как это работает, потому что у нас нет убедительного способа предсказать, каким должно быть значение космологической постоянной».
С другой стороны, это может быть некоторая дыра в нашем понимании гравитации, хотя «новая физика, которая влияет на фундаментальную и общую теорию относительности, встречается крайне редко», — отметил Коллесс.
«Если бы появилась новая физика и если бы она потребовала модификации общей теории относительности, это определенно стало бы прорывом в области физики на уровне Нобелевской премии».
Единственный путь вперед
Будь то ошибка калибровки, огромная ошибка в нашем нынешнем понимании физики или что-то еще, есть только один путь вперед, если мы собираемся исправить постоянную Хаббла — заниматься наукой.
Во-первых, космологи могут работать с текущими данными, которые у нас уже есть, по стандартным свечам и стандартным линейкам, дополнительно уточняя их и еще больше сокращая планки ошибок. В дополнение к этому мы также можем получить новые данные.
Коллесс, например, работает над проектом в Австралии, используя передовой инструмент TAIPAN, недавно установленный в обсерватории Сайдинг-Спринг. Эта команда будет исследовать миллионы галактик в локальной Вселенной, чтобы измерить барионные акустические колебания как можно ближе к нам, чтобы учесть любые проблемы измерения, вызванные расстоянием.
«Мы собираемся измерить 2 миллиона очень близких галактик — по всему Южному полушарию и немного в Северном полушарии — настолько близко, насколько это возможно, чтобы найти сигнал барионных акустических колебаний и измерить этот масштаб с точностью до 1%».
Итак, если TAIPAN даст тот же объем, возвращающий H0, равный 67 километрам в секунду на мегапарсек, проблема может заключаться в наших стандартных свечах.
С другой стороны, если результаты будут ближе к 74 километрам в секунду на мегапарсек, это будет означать, что стандартные свечи более надежны.
Новые области исследований также возможны: не стандартные свечи или стандартные линейки, а стандартные сирены, основанные на гравитационно-волновой астрономии — ряби в пространстве-времени, распространяемой массивными столкновениями между черными дырами и нейтронными звездами.
По-прежнему трудно измерить постоянную Хаббла с помощью гравитационных волн. Но первоначальные расчеты многообещающие. В 2017 году столкновение нейтронных звезд позволило астрономам сузить его до примерно 70 (км/с) / Мпк с полосами ошибок, достаточно большими с обеих сторон, чтобы покрыть как 67, так и 74, а затем и некоторые из них.
Это, по словам Дэвис, было потрясающе.
«Сейчас мы измерили тысячи сверхновых», — сказала она, — «Измерили миллионы галактик, чтобы получить данные барионных акустических колебаний. Мы обследовали все небо, чтобы измерить космический микроволновый фон. И этот единственный объект, это одно измерение гравитационной волны, имеет планку погрешности около 10%, что потребовало десятилетий работы над другими зондами».
Гравитационно-волновая астрономия все еще находится в зачаточном состоянии — это лишь вопрос времени, когда мы обнаружим достаточно столкновений нейтронных звезд, чтобы уточнить результаты. Если повезет, это поможет выявить причину напряженности Хаббла.
В любом случае, это войдет в историю. Новая физика, конечно, была бы потрясающей, но ошибка в шкале расстояний потрясла бы астрономию. Это может означать, что мы чего-то не понимаем о сверхновых типа Ia или о том, как развиваются звезды.
Каким бы образом он не исчез, решение проблемы напряженности Хаббла окажет влияние на всю астрономическую науку.
«Вот почему космологи так взволнованы этим. Поскольку космологическая теория работает так хорошо, мы так взволнованы, когда находим что-то, что она не может предсказать. Потому что, когда что-то ломается, именно тогда вы учитесь», — сказал Коллесс. «Наука — это метод проб и ошибок, и именно в этой ошибке вы узнаете что-то новое».
Источник