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
Вселенная расширяется быстрее, чем мы думали
Когда-то люди были потрясены, узнав, что Вселенная расширяется. В 1990-х гг. последовал новый удар, ведь оказалось, что это расширение происходит с ускорением. Однако новое исследование указывает на то, что скорость расширения еще выше, чем предполагали ранее.
Вселенная возникла из Большого Взрыва и начала расширяться из сверхплотного и сверхгорячего состояния, увеличивая объемы и уменьшая температуру. Новое исследование показало, что скорость расширения может быть на 10% выше, чем предсказываемая. Кроме того, теперь ученые могут с уверенностью заявить, что это несоответствие нельзя назвать обычным совпадением.
Графическое представление сингулярности Вселенной
Дело в том, что на теории расширения строится наше понимание того, как функционирует космическое пространство. Новая цифра заставит внести изменения в существующие теории. Ученые говорят, что не ожидали увидеть ничего подобного. Важно, что изучение расширения сильно повлияет на понимание природы темной энергии, ведь именно ее считают ответственной за расширение Вселенной.
В новом исследовании ученые использовали космический телескоп Хаббл для изучения 70 переменных цефеид, расположенных в Большом Магеллановом Облаке (спутниковая галактика Млечного Пути). Эти звезды называют стандартными свечами, потому что они уменьшают и увеличивают яркость с предсказуемым скоростным показателем, что позволяет точно рассчитать дистанции к ним.
Важно понимать, что скорость расширения влияет на значение постоянной Хаббла. Ожидаемая скорость расширения (по закону Хаббла) составляет 67.8 км/с на мегапарсек. Однако новое число увеличивает скорость до 74 км/с на мегапарсек. Интересно, что неопределенность по значению нового числа составляет всего 1.9%, что намного ниже, чем в предыдущих подсчетах (10% в 2001 году и 5% в 2009-м).
Показатель скорости расширения Вселенной важен для ученых. Им нужно понимать, насколько быстро расширяется Вселенная сегодня и сходится ли этот показать с тем, как быстро она должна расширяться (основано на физике ранней Вселенной). Если есть большое расхождение, то ученые могли допустить серьезную ошибку в космологической модели.
Источник
Вселенная расширяется быстрее, чем думали ученые
На протяжении нескольких десятилетий ученые ориентировались на общепринятую модель расширения Вселенной. Но недавнее исследование Калифорнийского университета показало, что точные измерения скорости, с которой расширяется Вселенная, не соответствуют стандартной модели. Другие исследования, опубликованные ранее в этом году, пришли к аналогичным выводам.
Тайна постоянной Хаббла
Вселенная все время расширяется, растягивая галактики все дальше друг от друга. В течение десятилетий ученые пытались измерить, насколько быстро она растет, то есть вычислить постоянную Хаббла.
Специалисты обнаружили, что после Большого взрыва Вселенная сначала расширялась очень быстро. Затем замедлилась, и гравитация темной материи — таинственной, невидимой силы, которая составляет около 85% всей материи во Вселенной — отступила.
Недавно появились новые подробности
Современные измерения Вселенной показывают, что она расширяется на 9% быстрее, чем предсказывает стандартная модель. А это немалая цифра, если мы говорим о космосе.
Как ученым удалось это установить?
Они изучали квазары — интенсивные источники космического радиоизлучения. Были проведены измерения того, как свет изгибается при движении вокруг массивных объектов на пути к Земле. Массивный объект (например, гигантская галактика) изгибает свет во множестве направлений, что позволило ученым увидеть разные, искаженные версии одного и того же квазара из разных времен его прошлого. Затем они сравнили эти изображения, чтобы вычислить, сколько времени требуется свету квазара, чтобы добраться до нас. Так была собрана информация о том, насколько Вселенная расширилась за время путешествия.
Последние исследования могут привести к так называемому «кризису в космологии», который потребует перерасчета всех ранее открытых сведений.
Источник
Вселенная расширяется быстрее, чем ученые предполагали
Впервые астрономы использовали сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся сразу после Большого Взрыва, для измерения скорости расширения Вселенной. Вместе с ответом возникло множество новых вопросов.
Оказывается, Вселенная расширяется намного быстрее, чем предполагалось . Это может означать, что (предположительно) вызывающая ускорение расширения темная энергия, которую иногда называют энергией вакуума — космологической постоянной, описанной еще Альбертом Эйнштейном,— на самом деле не такая уж постоянная величина.
Возможно, со временем темная энергия становится интенсивнее, утверждается в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy .
Скорость расширения Вселенной называют константой Хаббла, но ее никак не могут точно рассчитать. Каждый тест дает новый результат. Недавно ученые по данным спутника Планк* рассчитали константу с точностью до менее 1 %— 67.4 километра в секунду на мегапарсек.
(*) — Космическая обсерватория ЕКА, измеряющая космическое реликтовое излучение.
Несколько лет назад астрономы поняли, что расстояние до другого объекта тоже можно рассчитать невероятно точно, для этого требуется квазар и его черная дыра.
Квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной. Каждый из них — это галактика, которую очень активно поглощает сверхмассивная черная дыра в ее центре. Аккреционный диск излучает, в числе прочего, и рентгеновские, и ультрафиолетовые лучи. Астрономы Гуидо Ризалити (Guido Risaliti) из Флорентийского университета и Элизабета Луссо (Elisabeta Lusso) из Даремского университета (Великобритания) обнаружили, что соотношение этих волн зависит от ультрафиолетовой яркости.
Получив из соотношения эту яркость, квазар можно использовать как стандартную свечу . Луссо объясняет:
Использование квазаров в качестве стандартных свечей имеет огромный потенциал, ведь мы можем наблюдать их с гораздо большего расстояния, чем сверхновые типа Ia, поэтому с их помощью мы можем изучать более ранние эпохи истории космоса.
Исследователи собрали УФ-данные 1598 квазаров от 1.1 до 2.3 млрд лет после Большого взрыва. Используя расстояния, ученые рассчитали скорость расширения ранней Вселенной.
Свои результаты они сверили с результатами подсчетов по сверхновым Ia, покрывающими последние 9 млрд лет. Там, где эпохи пересекались, результаты совпали. Но в ранней Вселенной, измеряемой только квазарами, ученые обнаружили несоответствие между данными наблюдений и тем, что предсказывает стандартная космологическая модель.
Скорость расширения Вселенной была выше, чем предполагалось. Это может означать, что чем взрослее космос, тем темная энергия становится интенсивнее.
Мы не знаем, чем является темная энергия — мы не видим ее и не можем уловить приборами. Это просто название, которое дали неизвестной отталкивающей силе, которая, судя по всему, ускоряет расширение Вселенной.
(По скорости расширения астрофизики рассчитали, что темная энергия составляет примерно 70% Вселенной. С учетом новых более точных данных это значение тоже будет откорректировано.)
Если интенсивность темной энергии возрастает, то вероятно она не является космологической константой Эйнштейна, считают ученые. Но зато это позволит объяснить странные значения и, возможно, несовпадение результатов прошлых подсчетов постоянной Хаббла.
Пока что ученые займутся повторным тестированием и проверкой новых данных.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy , статья целиком доступна на сайте препринтов arXiv .
Источник