Постоянную Хаббла подсчитали при помощи гравитационных волн. Результат оказался далек от прежних значений. Вероятно, причина подобного странного расхождения — темная материя
Сегодня астрономы знают, что Вселенная расширяется. Это видно по целому ряду факторов, включая красное смещение света от удаленных объектов. Но для того, чтобы точно понимать космологическую картину ее эволюции, важно измерить скорость этого расширения, ведь, например, именно от нее зависит оценка возраста Вселенной.
Эту скорость характеризует, кроме прочего, постоянная Хаббла. Вопреки названию, это вовсе не постоянная, она может меняться во времени, однако в каждый момент времени ее значение должно быть одинаково. На практике же значение постоянной Хаббла при разных методах измерения получается разным, чего не должно быть.
Измерить ее можно двумя способами. Первый — отслеживая параметры реликтового излучения, своеобразного «эха» Большого взрыва, как это сделала космическая обсерватория «Планк». Второй — вычисляя расстояние до относительно близких галактик по сверхновым типа Ia (у них одна и та же яркость при вспышке, а значит, разницу в наблюдаемой с Земли яркости можно прямо перевести в расстояние до такой сверхновой) и цефеидам, переменным звездам, яркость которых периодически меняется по жестким закономерностям, что также позволяет использовать их для точной оценки расстояний до других галактик. «Планк» показал, что Вселенная расширяется со скоростью 67,66±0,42 км/с на мегапарсек. Это значит, что каждый мегапарсек (3,26 миллиона световых лет) пространства растягивается на 67,4 километра каждую секунду. Второй метод, по сверхновым и цефеидам, показал 73,52±1,62 км/с на мегапарсек. Легко видеть, что даже крайние значения (с учетом возможных ошибок) обоих методов явно не пересекаются.
Смотрите также: Гравитационные волны: методы поиска и схема телескопа LIGO
Два настолько разных результата измерения фундаментальной величины в физике могут получиться только в том случае, если в ходе эксперимента ученые допустили ошибку или не учли какую-то пока неизвестную силу. Первая причина маловероятна — слишком много было повторений. Вместе с тем новые гипотезы, которые должны были снять проблему, трудно назвать удовлетворительными, поскольку они объясняют разницу измерений с помощью подгонки не до конца понятных космологических факторов вручную. Таким способом можно объяснить любые непонятные вещи, так же как подгонкой решения под ответ в конце задачника можно «решить» любую задачу. Обычно физики стараются избегать таких гипотез.
В новой работе, опубликованной в Nature Astronomy, международная группа ученых решила измерить постоянную Хаббла иначе — с помощью гравитационно-волнового всплеска GW170817 от слияния нейтронных звезд, который был зарегистрирован в 2017 году. С его помощью астрономы уточнили расстояние до галактики NGC 4993, что позволило оценить и скорость расширения пространства между ней и нашей Галактикой. В этом случае задача астрономов была легче: дело в том, что на месте события возникла довольно сильная вспышка, которую удалось зафиксировать не только в гравитационных, но и в электромагнитных волнах, то есть с помощью ряда телескопов, работающих в различных диапазонах.
Читайте также: Астрономически важные сто секунд лета. Впервые в истории зарегистрированы гравитационные волны от слияния нейтронных звезд
Сравнив расстояние до NGC 4993 по гравитационно-волновому событию и по данным наблюдений в видимом диапазоне, астрономы вычислили значение постоянной Хаббла — 70,3 км/с на мегапарсек. Однако, поскольку этот метод применяется в первый раз и пока далек от совершенства, разброс значений получился большим — от 65,3 до 75,6 км/с на мегапарсек. Тем не менее результат весьма показателен: он примерно одинаково далек и от измерения по сверхновым и цефеидам, и от измерения по реликтовому излучению.
Если расхождение всех трех основных методов определения постоянной Хаббла подтвердится и в дальнейших работах, наиболее вероятной причиной странностей с измерением конкретной скорости расширения Вселенной станет «новая физика» — какие-то пока неизвестные физические закономерности. Вероятнее всего, речь пойдет о том, что со временем изменяется количество так называемой темной материи. Если во Вселенной количество темной материи со временем убывает, то скорость ее расширения может меняться не так, как астрофизики предполагают сегодня. Тогда разные методы измерений и должны показывать несколько различающиеся результаты.
Источник
О параметре Хаббла и скорости расширения Вселенной
Для начала стоит пояснить, как измеряется скорость расширения Вселенной для тех, кто не читал предыдущие части или подзабыл: чем дальше объект, тем он быстрее от нас удаляется по закону Хаббла. Основным параметром, характеризующим изменение скорости расширения является постоянная Хаббла — это значение ок. 69 км/с/Мпк. То есть объект, находящийся на расстоянии в один мегапарсек (3 260 000 световых лет), будет удаляться от нас со скоростью 69 км/с. Но так было не всегда.
Когда-то постоянная Хаббла не была другой (отсюда ее и постоянной не назовешь) — в зависимости от плотности материи меняется и значение постоянной. Раньше плотность вещества была выше — то есть была больше и хаббловская величина и скорость расширения. При высочайшей плотности, в начальной стадии развития Вселенной, произошла эпоха инфляции, когда ткань пространства-времени расширялась невероятно быстро: этот период длился с 10^-35 сек до 380 000 лет. Но сейчас она должна расширяться медленнее и медленнее, ускорение расширения должно падать, но пока что идет спор о природе увеличения ускорения расширения, так как в последние годы стала популярна теория темной материи, которая позволяет ускорить расширение.
В эпоху Хаббла, когда не существовало технологий для обнаружения далеких (+1 млрд ly) галактик, ученые считали, что удаление объектов от нас (то есть расширение Вселенной) линейно. Со временем, заглядывая все дальше вглубь Метагалактики, мы обнаружили, что далекие объекты удаляются от нас намного быстрее, чем это ожидалось по закону Хаббла. Наблюдательное красное смещение (грубо говоря, отношение скорости и постоянной Хаббла) не совпадает с теоретическими расчетами. Почему?
Существует прямолинейная зависимость, определяющая верность закона Хаббла: отношение расстояния к радиальной скорости. Отсюда можно понять, что постоянная Хаббла на самом деле является параметром — изменяемой величиной. Это предсказывал еще Александр Фридман за 2 года до хаббловского открытия: его первое уравнение, определяющее скорость расширения и эволюцию пространства-времени в зависимости от форм материи и энергии, а также кривизны. Русский геолог вычислил закономерность падения плотности материи, излучения и темной энергии — последняя из них постоянна.
Из уравнения легко понять, что при повышенной плотности скорость расширения больше, а при меньшей — меньше. Дошедший за миллиарды лет свет галактик показывает нам их вид, какими они были многие годы назад, когда плотность материи и скорость расширения была выше. Темная энергия заработала примерно вполовину возраста Вселенной: около 6-7 млрд лет назад, когда скорость расширения была на 80% выше сегодняшней; 13 млрд лет назад скорость расширения была в 17 раз больше, чем сейчас; через 115 млрд лет скорость расширения упадет пятикратно.
Вселенная Айлашкерского — исследуем космос вместе!
Источник
Закон Хаббла
Из Википедии — свободной энциклопедии
Зако́н Ха́ббла (закон всеобщего разбегания галактик) — космологический закон, описывающий расширение Вселенной. В статьях и научной литературе в зависимости от её специализации и даты публикаций он формулируется по-разному [1] [2] [3] .
v = H 0 r , <\displaystyle v=H_<0>r,> 
Однако в современных работах наблюдателей эта зависимость принимает вид
c z = H 0 r , <\displaystyle cz=H_<0>r,>
где с — скорость света, а z — красное смещение. Также, последнее является стандартным обозначением расстояния во всех современных космологических работах.
Третий вид закона Хаббла можно встретить в теоретических публикациях:
H = a ˙ ( t 1 ) a ( t 1 ) , <\displaystyle H=<\frac <<\dot >(t_<1>)>
Закон Хаббла является одним из основных наблюдаемых фактов в космологии. С его помощью можно примерно оценить время расширения Вселенной (так называемый Хаббловский возраст Вселенной):
t H = r V = 1 H 0 . <\displaystyle t_
Эта величина с точностью до численного множителя порядка единицы соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.
Источник
Сюрприз: постоянная Хаббла на самом деле непостоянна
Часть изображения, полученного в рамках наблюдения Hubble eXtreme Deep Field, в комбинированном ультрафиолете, видимом свете и инфракрасном излучении – самого глубокого взгляда во Вселенную из всех, что мы предпринимали. Различные видимые здесь галактики находятся на разных расстояниях и имеют разное красное смещение, что позволяет нам вывести закон Хаббла.
Вселенная огромна, и на миллиарды световых лет во всех направлениях заполнена звёздами и галактиками. С самого Большого взрыва свет путешествует, отправляясь с каждого создавшего его источника, и совсем малая часть этого света доходит до наших глаз. Но свет не просто перемещается через пространство из точки испускания и до того места, где мы находимся сегодня; кроме этого, расширяется сама ткань пространства.
Чем дальше от нас находится галактика, тем больше пространство между нами растягивает – и смещает в красную часть спектра – тот свет, что в итоге прибудет к нашим глазам. Заглядывая на всё более далёкие расстояния, мы видим увеличение красного смещения. Если построить график того, как видимая скорость удаления зависит от расстояния, мы получим красивое, прямолинейное взаимоотношение: закон Хаббла. Но наклон этой линии, постоянная Хаббла, на самом деле совсем не постоянен. И это одно из наиболее сильных заблуждений во всей астрономии.
Зависимость красного смещения от расстояния для удалённых галактик. Не попадающие на линию точки смещены из-за разности пекулярных скоростей, но они лишь немного отклоняются от наблюдаемой общей картины. Изначальные данные, полученные самим Эдвином Хабблом, и впервые использованные для демонстрации расширения Вселенной, умещаются в небольшой красный прямоугольник в левом нижнем углу.
Расширение Вселенной мы понимаем двояко: теоретически и через наблюдения. Наблюдая за Вселенной, мы видим несколько важных фактов, связанных с расширением:
- Вселенная расширяется с одной скоростью во всех направлениях.
- Чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
- Всё это верно только в среднем.
У отдельных галактик наблюдается большой разброс реальных скоростей, существующий благодаря гравитационным взаимодействиям со всем веществом Вселенной.
Двумерный срез ближайших к нам участков Вселенной, плотность которых выше (красное) и ниже (синее/чёрное) среднего значения. Линии и стрелки показывают направления пекулярных скоростей, но вся эта картина включена в ткань расширяющегося пространства.
Но эта проблема не является непреодолимой. Во Вселенной есть не просто несколько галактик, расстояние и красное смещение которых мы можем измерить; мы провели такие измерения буквально для миллионов галактик. Огромное количество галактик мы можем сгруппировать так, чтобы каждая группа находилась на определённом среднем расстоянии от нас, и мы могли бы подсчитать их среднее красное смещение. После такой процедуры мы обнаруживаем прямолинейную зависимость, определяющую закон Хаббла.
Но вот, в чём сюрприз. Если заглянуть на достаточно большие расстояния, становится видно, что скорость расширения уже не подчиняется прямолинейному закону, и начинает закругляться.
Зависимость скорости видимого расширения (ось у) от расстояния (ось х) соответствует тому, что Вселенная в прошлом расширялась быстрее, однако расширяется и сегодня. Это современная (2014 год) версия работы Хаббла, распространяющаяся на расстояния в тысячи раз большие. Заметим, что точки не формируют прямую линию, а значит, скорость расширения со временем меняется.
Используя термин «постоянная Хаббла», мы имеем в виду наклон этой линии. Если это не линия – то есть, если её наклон меняется – это говорит о том, что хаббловская скорость расширения Вселенной не является константой! Мы называем её постоянной Хаббла потому, что Вселенная расширяется с одной и той же скоростью в любой её точке: постоянная Хаббла постоянна в пространстве.
Но скорость расширения, и значение постоянной Хаббла, изменяются со временем. Это не загадка, а то, чего и следовало ожидать. Чтобы это понять, давайте посмотрим на это с другой точки зрения: теоретической.
Итан Сигель на фоне гиперстены Американского астрономического общества в 2017 году, вместе с первым уравнением Фридмана, справа.
#МоёЛюбимоеУравнение
Первое уравнение Фридмана предсказывает скорость расширения Вселенной на основании её содержимого
Первое уравнение Фридмана получается у нас, если начать со Вселенной, равномерно заполненной материей, излучением и всеми остальными формами энергии. Единственные используемые здесь предположения – Вселенная изотропна (одинаковая во всех направлениях), гомогенна (имеет одинаковую плотность повсюду) и подчиняется Общей теории относительности. Приняв это, вы получаете взаимоотношение величины H, скорости Хаббла (слева) и различных форм материи и энергии Вселенной (справа):
Первое уравнение Фридмана, как его обычно записывают сегодня. Левая часть определяет скорость расширения и эволюцию пространства-времени, а правая включает все различные формы материи и энергии, а также пространственную кривизну
Что интересно, с расширением Вселенной плотности материи, излучения и энергии могут меняться. К примеру, с расширением Вселенной увеличивается её объём, но общее количество частиц остаётся неизменным. Это означает, что в расширяющейся Вселенной:
- плотность материи падает как a -3 ,
- плотность излучения падает, как a -4 ,
- плотность тёмной энергии остаётся постоянной, и эволюционирует, как a 0 ,
где a – фактор масштаба (расстояние или радиус) Вселенной. Со временем a растёт, и различные компоненты Вселенной становятся более или менее важными относительно друг друга.
Как материя (вверху), излучение (в середине) и космологическая константа (внизу) развиваются со временем в расширяющейся Вселенной
Вселенная с большей плотностью энергии расширяется быстрее. И наоборот, вселенная с меньшей плотностью энергии расширяется медленнее. С возрастом Вселенная расширяется: при расширении материя и излучение становятся менее плотными; с уменьшением плотности уменьшается и скорость расширения. В любой момент времени скорость расширения определяет значение постоянной Хаббла. В далёком прошлом скорость расширения была гораздо больше, а сегодня – наименьшая.
Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной, и периоды их доминирования. Если бы космические струны или стены доменов существовали в каком-то значимом количестве, они вносили бы существенный вклад в расширение Вселенной. Могут даже быть и какие-то другие компоненты Вселенной, которых нам уже больше не видно, или которые ещё только собираются проявить себя! К сегодняшнему моменту тёмная энергия доминирует, материя достаточно важна, а излучением можно пренебречь.
Так почему же очень удалённые галактики подчиняются этому прямолинейному соотношению? Потому, что весь свет, прибывающий к нашим глазам, от света, испущенного соседней галактикой, до света, испущенного галактикой, находящейся в миллиардах световых лет от нас, к моменту подхода к нам достигает возраста в 13,8 млрд лет. Ко времени прихода света всё во Вселенной прожило ту же самую постоянно меняющуюся Вселенную, что и мы. Постоянная Хаббла в прошлом, когда была испущена большая часть света, была выше, но на то, чтобы этот свет прибыл к нашим глазам, ушло миллиарды лет.
Свет может быть испущен с разной длиной волны, но расширение Вселенной растянет его в пути. Свет, испущенный галактикой 13,4 млрд лет назад в ультрафиолете, будет сдвинут в инфракрасный диапазон.
Со временем Вселенная расширялась, а значит, длина волны света увеличивалась. Тёмная энергия стала достаточно важной лишь в последние 6 млрд лет, и мы дошли до момента, когда она довольно быстро становится единственным компонентом Вселенной, влияющим на скорость её расширения. Если бы мы вернулись в то время, когда Вселенная была в два раза моложе, то скорость расширения была бы на 80% больше сегодняшней. А когда Вселенной было 10% от текущего возраста, скорость расширения была в 17 раз больше, чем сегодня.
Когда Вселенная станет в десять раз старше, чем сегодня, её скорость расширения составит 18% от сегодняшней.
Голубым закрашен диапазон возможных неопределённостей того, как плотность тёмной энергии может отклоняться в прошлом и будущем. Данные указывают на наличие истинной космологической «константы», но другие возможности пока никто не отверг. К сожалению, преобразование материи в излучение не может быть кандидатом на тёмную энергию; в результате его то, что раньше вело себя, как материя, просто ведёт себя, как излучение.
Всё из-за наличия тёмной энергии, ведущей себя, как космологическая константа. В далёком будущем материя и излучение станут относительно неважными по сравнению с тёмной энергией, а значит, плотность энергии Вселенной будет оставаться постоянной. В таких условиях скорость расширения достигнет устойчивой и конечной величины, и таким и останется. В далёком будущем постоянная Хаббла станет постоянной не только в пространстве, но и во времени.
В далёком будущем, измерив скорость и расстояние до всех видимых объектов, мы получим одинаковый наклон этой линии повсюду. Постоянная Хаббла станет истинно постоянной.
Относительная важность различных компонентов энергии Вселенной в различное время в прошлом. Когда тёмная энергия приблизится в будущем к отметке в 100%, плотность энергии Вселенной будет оставаться постоянной на сколь угодно большом промежутке времени.
Если бы астрономы точнее обращались со словами, они назвали бы H параметром Хаббла, а не постоянной Хаббла, поскольку она меняется со временем. Но несколько поколений подряд мы могли измерять относительно небольшие расстояния, и H казалась постоянной, поэтому мы не стали её переименовывать. Нам приходится лишь уточнять, что H это функция времени, и только сегодня – когда мы называем её H0 — она постоянна. На самом деле параметр Хаббла изменяется со временем, и остаётся постоянным только по всему пространству. Но если бы мы дожили до далёкого будущего, мы увидели бы, что H в какой-то момент перестаёт меняться. Сегодня мы можем тщательно разделять реальные постоянные величины и те, что меняются со временем, но в далёком будущем благодаря тёмной энергии этой разницы уже не будет.
Источник