Вселенная расширяется быстрее, чем считали астрономы

На основе многочисленных наблюдений звезд и галактик ученые стали замечать, что Вселенная разлетается быстрее, чем показывают самые точные модели космоса. Свидетельства этому накапливались годами, в результате чего некоторые ученые назвали данный процесс надвигающимся кризисом в космологии.
Последние данные, которые удалось собрать группе исследователей при помощи космический телескопа Хаббл, говорят о том, что ошибки быть не может, вселенная действительно разлетается быстрее. Загадка получила название “напряжение Хаббла” в честь астронома Эдвина Хаббла. В 1929 году он заметил, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется. Тем не менее, не все ученые согласны с этими выводами, и все еще утверждают, что “напряжение Хаббла” — это просто артефакт. Но какие есть “за” и “против”?

Что такое напряжение Хабла и как вычислили скорость расширения вселенной

Исследователи пытались измерить текущую скорость расширения Вселенной двумя основными способами — путем измерения расстояний до ближайших звезд и методом картирования слабого свечения, относящегося к молодой Вселенной. Исследование также выявило некоторые ключевые космические ингредиенты, такие как темная энергия — таинственная сила, которая, как считается, движет ускоряющимся расширением Вселенной.
Эти два метода показывают разные результаты относительно текущей скорости расширения Вселенной. Расхождение составляет примерно 8 процентов. Это различие может показаться незначительным, но, если оно действительно существует, значит Вселенная стала расширяться быстрее, чем вначале своего существования.

Большинство данных, которые ученые используют в своих расчетах, полученных с телескопа Хаббл

В нескольких исследованиях, опубликованных The Astrophysical Journal, для измерения расстояния между нами и ближайшими галактиками используются определенные типы звезд и звездные взрывы. Набор данных включает наблюдения 42 различных звездных взрывов, что более чем вдвое превышает масштаб предыдущего анализа такого рода. Согласно результатам, противоречие между их новым анализом и результатами измерений раннего космоса достигло пяти сигм, статистического порога, используемого в физике элементарных частиц для подтверждения существования новых частиц.

Космические микроволны и дистанционная лестница

Один из способов получить постоянную Хаббла (скорость расширения вселенной) основан на космическом микроволновом фоне (CMB), слабом свечении, которое образовалось, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Телескопы, такие как обсерватория Planck Европейского космического агентства, измерили реликтовое излучение, предоставив подробный снимок того, как материя и энергия были распределены в ранней Вселенной, а также физику, которая ими управляла.
Используя модель, которая с поразительным успехом предсказывает многие свойства Вселенной, известную как модель Лямбда Холодной Темной Материи, космологи могут математически просчитать развитие молодой Вселенной и предсказать, какой должна быть сегодняшняя постоянная Хаббла. Согласно этому методу, Вселенная должна расширяться со скоростью около 67,36 километров в секунду на мегапарсек.
Один мегапарсек равен 3,26 миллионам световых лет.

Для вычисления постоянной Хаббла ученые используют данные звезд и галактик

Другие команды измеряют постоянную Хаббла, глядя на “локальную” вселенную, то есть более современные звезды и галактики, которые относительно близки к нам. Эта версия расчета требует двух видов данных: насколько быстро галактика удаляется от нас и как далеко эта галактика находится. Этот метод требует от астрономов разработки так называемой лестницы космических расстояний.
Лестница космических расстояний нового исследования, составленная исследовательской группой SHoES, начинается с измерения расстояний между нами и некоторыми видами звезд, называемыми цефеидными переменными. Чтобы расширить лестницу еще дальше, астрономы добавили ступеньки, основанные на звездных взрывах, названных сверхновыми типа 1a.
Изучая галактики, в которых находятся как цефеиды, так и сверхновые типа 1a, астрономы могут установить взаимосвязь между яркостью сверхновых и расстояниями до них. Поскольку сверхновые типа 1a намного ярче, чем цефеиды, их можно увидеть на гораздо больших расстояниях, что позволяет астрономам распространять свои измерения на галактики, расположенные глубже в космосе.

В расчетах постоянной Хаббла могут быть ошибки, так как сложно получить точную информацию о Сверхновых и других космических объектах, которые находятся на большом расстоянии от Земли

Учет ошибок и вариаций в измерении скорости расширения Вселенной

Проблема вычисления постоянной Хаббла заключается в том, что точно измерить данных всех звезд и сверхновых крайне сложно. С технической точки зрения, не все цефеиды и сверхновые типа 1a выглядят одинаково. Некоторые из них могут иметь разный состав, разные цвета или разные типы родительских галактик. Астрономы потратили много лет на то, чтобы выяснить, как объяснить всю эту изменчивость. Тем не менее чрезвычайно трудно с уверенностью сказать, что в том или ином измерении не закралась ошибка.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под названием “Пантеон +” исчерпывающе проанализировала более 1700 наблюдений сверхновых типа 1a, собранных с 1981 года. Анализ включал количественную оценку всех известных неопределенностей и источников систематической ошибки.

Постоянная Хаббла, полученная с учетом возможных ошибок подтвердила ускорение расширения Вселенной

Проведя исчерпывающую перекрестную проверку факторов, которые могут повлиять на наблюдения цефеид, команда дала самую точную оценку для постоянной Хаббла — 73,04 километра в секунду на мегапарсек, плюс-минус 1,04. Это примерно на 8 процентов выше, чем значение, полученное на основе измерений CMB обсерваторией Planck.
Команда также приложила все усилия, чтобы проверить идеи сторонних ученых о том, почему ее оценка постоянной Хаббла выше, чем оценка Планка. Всего исследователи изучили 67 анализов, многие из которых усугубили загадку напряженности Хаббла.

Напряжение Хабла — это ошибка в расчетах?

Венди Фридман, ученый из Чикагского университета, работала над оценкой, которая не основана на пульсации звезд. Вместо этого она использовала определенную группу красных гигантских звезд, которые действуют также, как электрические лампочки известной мощности. Основываясь на этих альтернативных объектах с известной внутренней яркостью, постоянная Хаббла составила 69,8 км/с на мегапарсек.

Ученая Венди Фридман самостоятельно высчитала постоянную Хаббла, используя для этого «надежные» источники

Несмотря на тщательную работу команды, Фридман говорит, что необнаруженные ошибки все еще могут влиять на анализ, возможно, создавая иллюзорное напряжение. По ее словам, некоторые источники неопределенности неизбежны. Есть только три галактики, достаточно близкие к Млечному Пути, расстояния от которых мы можем измерить напрямую.
Команды Pantheon + и SH0ES внимательно изучили результаты Фридман и других исследователей. Согласно их работе, включение дополнительных звезд, которые использовала Фридман, немного снижает оценку постоянной Хаббла, но не снимает напряженности. И если напряжение Хаббла действительно отражает нашу физическую реальность, как утверждают ученые, то для ее объяснения, вероятно, потребуется добавить еще один пункт в наш список фундаментальных компонентов Вселенной.

Взрыв темной энергии и помолодевшая Вселенная

Согласно одной из теорий, примерно через 50 тысяч лет после Большого взрыва произошла кратковременная вспышка темной энергии. В принципе, короткий всплеск дополнительной темной энергии мог бы изменить скорость расширения ранней Вселенной в достаточной степени, чтобы возникло напряжение Хаббла, не нарушая при этом стандартную модель космологии.

Получить более точную информацию относительно скорости расширения Вселенной, возможно, поможет телескоп Джеймса Уэбба

Но, по оценкам космологов, возраст Вселенной упадет с нынешних 13,8 миллиарда лет до примерно 13 миллиардов лет. На данный момент нет никаких очевидных доказательств ранней темной энергии. Хотя некоторые намеки все же имеются. В сентябре Космологический телескоп Атакама, учреждение в Чили, которое измеряет космический микроволновый фон, заявило, что модель, включающая раннюю темную энергию, соответствует их данным лучше, чем стандартная космологическая модель. Правда, есть теория, согласно которой темная материя, наоборот, замедляла расширение вселенной.
Очевидно, что для разгадки напряжения Хаббла потребуются дополнительные, более точные наблюдения. Возможно, окончательную точку в споре о скорости расширения вселенной поставит телескоп Джеймса Уэбба, который перепроверит данные измерений, выполненных ранее телескопом Хаббл.

Дорогие фанаты науки и вообще любители всего интересного! Администрация ресурса «Научный Хит» поздравляет вас с наступлением нового витка планеты Земля вокруг Солнца. Пусть он получится ярким и незабываемым, а все невзгоды останутся в 2021-м! Желаем вам космических свершений, крепкого здоровья и простого человеческого счастья. С наступающим!