Измерения Хаббла указывают на новую тайну расширения Вселенной

Астрономы, использующие космический телескоп Хаббл, говорят, что они перешли важный порог в выявлении несоответствия между двумя ключевыми методами измерения скорости расширения Вселенной. Недавние исследования подтверждают необходимость новых теорий для объяснения сил, которые сформировали космическое пространство.

Вселенная расширяется с каждой секундой. Пространство между галактиками растягивается, словно раздувающийся воздушный шар. Но как быстро расширяется Вселенная? Поскольку Хаббл и другие телескопы пытаются ответить на этот вопрос, ученые столкнулись с интригующей разницей между тем, что они предсказывают, и тем, что они наблюдают.

Измерения Хаббла предполагают более высокую скорость расширения в современной вселенной, чем ожидалось, основываясь на том, как вселенная появилась около 14 миллиардов лет назад. Эти измерения ранней Вселенной получены с спутника Планка Европейского космического агентства. Такое несоответствие было выявлено в научных работах за последние несколько лет, но неясно, виноваты ли в различиях методы измерения, или эти различия могут быть результатом неудачных измерений.

Последние данные Хаббла снижают вероятность того, что расхождение всего лишь случайность, до вероятности 1 на 100 000. Это значительный меньше от более ранней, сделанной менее чем год назад, оценки шансов 1 на 3000.

Эти самые точные измерения Хаббла на сегодняшний день поддерживают идею о том, что для объяснения несоответствия может потребоваться новая физика.

«Несоответствие в измерениях Хаббла между ранней и поздней вселенной может быть самым захватывающим событием в космологии за последние десятилетия», — сказал ведущий исследователь и нобелевский лауреат Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса. «Это несоответствие росло и теперь достигло точки, которую действительно невозможно отрицать как случайность. Такое несоответствие не могло произойти просто случайно».

Ученые используют «космическую лестницу расстояния», чтобы определить, как далеко находятся объекты во вселенной. Этот метод зависит от точных измерений расстояний до ближайших галактик и последующего перемещения к галактикам все дальше и дальше, используя их звезды в качестве маркеров.

Астрономы используют эти значения наряду с другими измерениями света галактик, который краснеет при прохождении через растягивающуюся вселенную, чтобы вычислить, насколько быстро пространство расширяется со временем — значение, известное как постоянная Хаббла. Рисс и его команда с 2005 года находятся в поиске уточнения этих измерений расстояний с помощью телескопа Хаббла и уточнения постоянной Хаббла.

В новом исследовании астрономы использовали Хаббл, чтобы наблюдать 70 пульсирующих звезд, называемых переменными цефеидами, в Большом Магеллановом Облаке. Наблюдения помогли астрономам «перестроить» лестницу расстояний, улучшив сравнение между этими цефеидами и более отдаленными сверхновыми звездами. Команда Рисса уменьшила неопределенность в значении постоянной Хаббла до 1,9% с более ранней оценки в 2,2%.

Поскольку измерения астрономов стали более точными, их расчет постоянной Хаббла не соответствовал ожидаемому значению, полученному из наблюдений расширения ранней вселенной. Эти измерения были сделаны телескопом Планка, который наносит на карту космический микроволновый фон, реликтовое свечение, которое появилось спустя 380 000 лет после Большого взрыва.

Измерения были тщательно проверены, поэтому в настоящее время астрономы не могут устранить разрыв между двумя результатами из-за ошибки в каком-либо одном измерении или методе. Оба значения были проверены несколькими способами.

«Это не просто два несогласующихся эксперимента», — объяснил Адам Рисс. «Мы измеряем что-то принципиально иное. Одно — это измерение того, насколько быстро расширяется Вселенная сегодня, как мы видим это. Другое — это предсказание, основанное на физике ранней Вселенной и измерениях того, как быстро она должна расширяться. Если эти значения не совпадают, очень вероятно, что мы упустили что-то важное в космологической модели, которая связывает две эпохи».

Новая оценка постоянной Хаббла составляет 74 километра в секунду на мегапарсек. Это означает, что отстоящая от нас на каждые 3,3 миллиона световых лет галактика движется на 74 километра в секунду быстрее в результате расширения Вселенной. Число указывает на то, что вселенная расширяется на 9% быстрее, чем прогнозируется скорость 67 километров в секунду на мегапарсек, что вытекает из наблюдений Планка о ранней Вселенной в сочетании с нашим нынешним пониманием Вселенной.

Но чем можно объяснить это несоответствие?

Одно из объяснений несоответствия заключается в неожиданном появлении темной энергии в молодой вселенной, которая, как полагают, сейчас составляет 70% содержимого вселенной. Предложенная астрономами теория получила название «ранняя темная энергия» и предполагает, что вселенная развивалась как пьеса из трех актов.

Астрономы уже выдвинули гипотезу о том, что темная энергия существовала в течение первых секунд после Большого взрыва и толкала вещество по всему пространству, начиная первоначальное расширение. Темная энергия также может быть причиной ускоренного расширения Вселенной сегодня. Новая теория предполагает, что был третий эпизод темной энергии вскоре после большого взрыва, который расширил вселенную быстрее, чем предсказывали астрономы. По словам Рисса, существование этой «ранней темной энергии» может объяснить несоответствие между двумя значениями постоянной Хаббла.

Другая идея состоит в том, что вселенная содержит новую субатомную частицу, которая движется со скоростью, близкой к скорости света. Такие быстрые частицы все вместе называют «темным излучением» и включают в себя ранее известные частицы, такие как нейтрино, которые создаются в ядерных реакциях и радиоактивных распадах.

Еще одна интересная возможность состоит в том, что темная материя (невидимая форма материи, не состоящая из протонов, нейтронов и электронов) взаимодействует с нормальной материей или излучением более сильно, чем предполагалось ранее. Но истинное объяснение все еще остается загадкой.

У Адама Рисса нет ответа на эту проблему, но его команда продолжит использовать Хаббл, чтобы уменьшить неопределенности в константе Хаббла. Их цель — снизить неопределенность до 1%, что должно помочь астрономам определить причину расхождения.

«Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics Beyond LambdaCDM,» Adam G. Riess et al., 2019, Astrophysical Journal, arxiv.org/abs/1903.07603