Гравитационная космография XXI века

Пришедшее из великого трактата Клавдия Птолемея «Альмагест» слово «космография» — нечастый обитатель современных массовых лексиконов. А вот астрономы его не забыли. Космографией в профессиональной литературе называют науку, которая занимается геометрией и кинематикой Вселенной (примерно в этом смысле ее понимал и Птолемей). Этим она отличается от космологии, которая объясняет и то, и другое с помощью математических моделей, основанных на квантовой теории поля и эйнштейновской теории гравитации (либо ее модификациях или даже альтернативах).

А теперь последует информация, которая пока что не слишком известна широкой публике. В течение последних пятнадцати лет космография обрела принципиально новую технику оценки расстояний до очень далеких космических объектов. Она уже получила свое собственное имя: time-delay cosmography. Не берусь буквально перевести этот термин на русский язык и никогда не видел таких переводов на Интернет-порталах или где-либо еще. Проще воспользоваться английским названием и объяснить, что за ним кроется. Речь идет об технике измерения космологических дистанций, основанной на хорошо известном эффекте гравитационного линзирования (определенности ради, сильного линзирования).

Пока что она уступает по точности методикам примерно столетней давности, основанным на использовании так называемых стандартных свечей – то есть, объектов с известной и надежно калиброванной собственной яркостью (начала это были звезды из семейства цефеид, а позднее также сверхновые звезды типа Ia). Однако ее прогресс налицо. Уже сейчас он позволяет измерять дистанции до галактик с красными смещениями порядка трех (то есть, возникших после достижения Вселенной возраста в три миллиарда лет) с погрешностями около двух процентов. Наблюдения сверхновых обеспечивают примерно такую же дальность, однако их погрешность вдвое меньше.

Можно спросить, зачем нужна новая техника, если старая работает лучше. Если бы речь шла об интересах одной только космографии, вопрос был бы вполне законным. Однако для космологии промеры Большого Космоса не самоцель, а путь к вожно более точному вычислению параметров, фигурирующих в моделях Вселенной. Прежде всего это знаменитая постоянная Хаббла H0, которая определяет скорость расширения пространства Вселенной в современную эпоху.

Численные значения H0 оценивались и оцениваются разными способами уже без малого сто лет. С конца 1950-х годов вплоть до начала нашего столетия считалось, что они скорее всего лежат в диапазоне (70-75) (км/сек)/Мпк. Однако затемм стали публиковаться другие значения постоянной Хаббла, вычисленные на основе исследования спектров микроволнового реликтового излучения (МРИ) , рожденного через 379 тысяч лет после Большого Взрыва. Они оказались приблизительно на 8% меньше предшествующих.

Это расхождение, получившее название Hubble tension, до сих пор так и не удалось ни объяснить, ни устранить (см. R. Brent Tully. The Hubble Constant: A Historical Review. arHiv 2305.11950v1 [astro-ph.CO] 19 May 2023). Сейчас результаты метода стандартных свечей группируются около 73 (км/сек)/Мпк, в то время как анализ флуктуаций МРИ дает для H0 значения около 67 (км/сек)/Мпк. Очень важно, что и те, и другие установлены с не более чем однопроцентной средней погрешностью. Это означает, что лакуна между ними вполне реальна.

Конечно, можно предположить, что Hubble tension – это не более чем артефакт еще неучтенных систематических ошибок, возникающих при выполнении великого множества астрономических и астрофизических измерений. В противном случае придется признать, что эта расстыковка абсолютно реальна и требует не методологических, а физических объяснений. Не приходится удивляться, что для этого выдвинуто много разных гипотез.

Например, некоторые специалисты предлагают модифицировать стандартную историю раннего расширения Вселенной, приняв в качестве гипотезы существование неизвестных релятивистских частиц или не предусмотренное современными моделями воздействие темной энергии. Есть и другие версии теоретического устранения Hubble tension, и их немало.

Но имеется и другой выход. Предположим, что можно найти новый путь к достаточно точному измерени константы Хаббла, который вообще не использовал бы применявшиеся ранее методы. Полученные результаты можно было бы сравнить с уже имеющимися и посмотреть, не сдвинут ли они чашу весов в ту или иную сторону. При таком исходе обсуждение причин хаббловской расстыковки как минимум стало бы более осмысленным.

Как уже говорилось в начале, такой способ в теории отнюдь не нов. В 1964 году его предложил норвежский астрофизик Шюр Рефсдал, который тогда был аспирантом университета Осло. В своей статье он предложил использовать для измерения постоянной Хаббла эффект гравитационного линзирования вспышек сверхновых звезд (S. Refsdal, On the possibility of determining Hubble’s parameter and the masses of galaxies from the gravitational lens effect. Mon. Notices of the Royal Astron. Soc. 128, 307 (1964).

В этой версии идею Рефсдала удалось применить на практике только в 2017 году, через восемь лет после его смерти и через три года после первого наблюдения названной в его честь сверхновой, которая стала объектом гравитационного линзирования (J. Vega-Ferrero et al. The Hubble Constant from SN Refsdal. The Astrophysical Journal Letters. Vol. 853, Issue 2 (2018). Как читатель, вероятно, уже догалался, именно предложенная Рефсдалом методика легла в основу time-delay cosmography.

Предложенный Рефсдалом метод измереня постоянной Хаббла был впервые опробован задолго до 2017 года. Его первоначальные успехи стали возможными благодаря использованию в качестве источников излучения не сверхновых, а куда более мощных космических светильников, квазаров. Однако и это потребовало немалого времени. Первый сильно линзированный квазар был обнаружен еще в конце 1970-х годов, а к концу прошлого века их количество уже измерялось десятками. Тем не менее, самая ранняя оценка постоянной Хаббла по схеме Рефсдала была опубликована только в 2002 году, причем она была выполнена на основе наблюдений одного единственного квазара. Затем число «опорных» квазаров стало расти. В декабре 2025 года коллаборация TDCOSMO обнародовала самые надежные на сегодняшний день результаты измерения H0 с помощью эффекта гравитационного линзирования, основанные на наблюдении уже восьми квазаров. Я вернусь к ним позднее.

Вряд ли надо подробно рассказывать, что такое космическое гравитационное линзирование – оно сейчас на слуху у всех, кто хоть чуть-чуть интересуется астрономией. Напомню лишь, что этот эффект состоит в искривлении приходящих на Землю световых лучей от далекого источника, если по пути к нашей планете они проходят вблизи области с сильными локальными гравитационными полями. Ее и называют гравитационной линзой. Если светимость источника постоянна, действие тяготения приведет только к появлению ложных изображений наблюдаемого объекта, которые исчезнут, когда гравитационный дефлектор уйдет с луча зрения от Земли на объект.

Ситуация станет куда интересней, если яркость источника меняется со временем, что всегда происходит с излучением сверхновых звезд и квазаров. Допустим для определенности, что земные наблюдатели следят за линзированной вспышкой сверхновой. Поскольку ее лучи будут достигать Земли по путям разной длины, вспышка будет наблюдаться не только в разных участках небосвода, обычно разделенных дистациями порядка одной угловой секунды (напомню, что линза создает ложные изображения!), но и в разные времена. Это связано как с разной геометрической длиной фотонных траекторий, так с вытекающим из общей теории относительности гравитационным замедлением времени, которое проявляется тем сильнее, чем глубже фотоны погружаются в поле тяготения дефлектора. В результате наблюдатели могут решить, что они открыли несколько разных сверхновых, но это, конечно, будет всего лишь оптическая иллюзия. Сверхновая на деле взрывается лишь единожды.

Число таких вспышек зависит от силы и пространственной структуры гравитационного поля дефлектора. Когда в этом качестве выступает скопление галактик, такая структура может быть весьма сложной и пространственно протяженной (напомню, что массы крупнейших скоплений доходят до 1015 солнечных масс, а их масштабы измеряются десятками миллионов световых лет). Поэтому промежутки между вспышками могут измеряться днями, месяцами и даже годами. Например, в 2016 году аппаратура Телескопа имени Хаббла зарегистрировала три появления и исчезновения сверхновой типа Ia с индексом AT2016jka. Она взорвалась свыше десяти миллиардов лет назад в массивной галактике MRG-M0138 с красным смещением z=1,95. Дефлектором был массивный кластер MACS J0138-2155, включающий не менее восьмидесяти четырех галактик.

Исследователи, которые занимаются этой сверхновой, рассчитывают наблюдать четвертую вспышку во второй половине 2026 года или в 2027 году. Эти ожидания основаны на сконструированной ими модели гравитационного поля скопления MACS J0138-2155. Оно должно направить фотоны от взрыва сверхновой AT2016jka еще по одному пути, уже четвертому по счету. Как показывают вычисления, он будет на порядок длиннее трех траекторий, по которым шли световые потоки, наблюдавшиеся в 2016 году. Предполагается, что сначала эту вспышку обнаружит телескоп имени Хаббла, а затем для контроля к наблюдениям привлекут Космический Телескоп имени Джеймса Уэбба (см. Daniel Clery, Cosmic Illusions. Science. 392 (6793), 2 April 2026, p. 17-21). Конечно, нет никаких гарантий, что этот прогноз оправдается, но ждать осталось недолго.

В течение первой четверти нашего столетия в общей сложности астрономы сообщили о надежной идентификации нескольких сильно линзированных сверхновых типа Ia. Одну из них, SN H0pe с красным смещением z=1,78, обнаружила аппаратура Телескопа имени Джеймса Уэбба, который начал выполнять свои функции летом 2022 года. Взрыв белого карлика, породивший эту сверхновую, имел место, когда возраст Вселенной составил три с половиной миллиарда лет. Он был детектирован при наблюдении скопления галактик PLCK-G1165.7+67.0 с красным смещением 0,35, которое сработало как дефлектор ее излучения. Информация о этом открытии появилась в 2023 году. Оно позволило заново пересчитать значение постоянной Хаббла, о чем будет рассказано в следующем разделе.

Нет сомнения, что в ближайшие годы последуют и другие подобные открытия. Возможно, они «проявятся» уже в первом массиве данных от европейской космической обсерватории «Евклид», запущенной с мыса Канаверал к второй точке Лагранжа L2 1 июля 2023 г. Публикация этого массива ожидается в нынешнем году. Астрономы также возлагают большие надежды на десятилетнюю программу сканирования космоса американской обсерваторией имени Веры Рубин, расположенной на севере Чили на пике Эль-Пиньон горы Серро-Пачон, и на предстоящий запуск Космического телескопа имени Нэнси Грейс Роман, который НАСА рассчитывает осуществить до конца этого года.

Каким же образом из наблюдения двух или большего числа линзированных появлений фотонов от одного и того же космического события на нашем небосводе получитьь информацию о численной величине H0? Просто на словах этого не объяснить, нужно ссылаться на математику. В принципе, она не очень сложна, но для изложения в популярной статье не годится. Однако общую схему постараюсь описать. Сырым материалом служат данные измерения временных задержек линзированных фотонных потоков и их угловых координат на земном небосводе, которые объединяются с итогами моделирования гравитационных полей дефлектора. Эта комбинация позволяет вычислить time delay distance, а затем получить приближенную оценку H0.

Результаты, полученные при анализе следующих друг за другом вспышек одного или нескольких источников сравниваются, анализуются, суммируются и приводятся к одному знаменателю с помощью весьма серьезных статистических моделей. Сами вспышки ищутся и регистрируются в ходе длительных наблюдений с использованием телескопов, размещенных как на земных, так и на космических платформах. Естественно, что решение всех этих задач по плечу только многочисленным интернациональным коллаборациям. Полагаю, что теперь понятно, почему этот метод называется time delay cosmography.

И что же он дает на сегодняшний день? В вышеупомянутой статье Хесуса Вега-Ферреро и трех его соавторов приведена их оценка постоянной Хаббла, сделанная на основе наблюдения взрыва звезды Рефсдала, чье красное смещение составило 1,49. Она была линзирована гравитационнным полем галактического скопления MACS J1149.5+2223 с красным смещением 0,544. На 2014 год пришлись четыре появления этой сверхновой с промежутками всего лишь в несколько дней, что не позволило использовать эти наблюдения для оценки H0. Однако 11 декабря 2015 года Телескоп имени Хаббла зарегистрировал пятое изображение ее вспышки, которое уже оказалось полезным. Авторы этой статьи пришли к выводу, что H0 лежит в диапазоне от 62+4-4 (км/сек)/Мпк до 64+9-11 (км/сек)/Мпк. В 2023 году результаты по звезде Рефсдала были пересмотрены, после чего новое значение H0 составило 66,6+4,1-4,3 (км/сек)/Мпк. Однако вычисления постоянной Хаббла на основе наблюдений линзированной сверхновой SN H0pe, дали для H0 куда большее значение 75,4+8,1-5,5 (км/сек)/Мпк.

В 2010-е годы развернулась активная работа по измерению постоянной Хаббла на основе наблюдения изменений яркости квазаров. В конце этого десятилетия были опубликованы отчеты двух коллабораций, одна из которых занималась шестью квазарами, а другая семью. Их оценки постоянной Хаббла оказались очень близки: 73,3+/-1,8 (км/сек)/Мпк и 74,2+/-1,6 (км/сек)/Мпк.

Наконец, уже упоминавшийся «восьмиквазарный» результат сформированной в начале 2020-х годов коллаборации TDCOSMO (Time-Delay COSMO), который стал известен в самом конце 2025 года, дал для этой константы значение 71,6+3,9-3,3 (км/сек)/Мпк, оцененное с двухпроцентной достоверностью (TDCOSMO 2025: Cosmological constraints from strong lensing time delays. Astronomy&Astrophysics. 704, A63 (2025). Более свежих оценок на время написания этой статьи не появлялось. Коллаборация TDCOSMO планирует в будущем довести достоверность своих результатов до одного процента.

Сейчас time-delay cosmography, как правило, работает с источниками света с красными смещениями от одного до трех при типичном расположении дефлекторов на красном смещении 0,5. Это более или менее та же область Вселенной, которая доступна при использовании в качестве стандартных свечей сверхновых типа Iа. Более далекий космос ей пока недоступен.

Итак, к чему же мы пришли? Последние численные значения постоянной Хаббла, полученные на базе гравитационной космографии, хорошо согласуются с результатами метода стандартных свечей и сильно отличаются от оценок, основанных на анализе анизотропии реликтового излучения. Так что Hubble tension никуда не исчезла – по-прежнему цветет и пахнет. Что это означает, пока приходится только гадать. Констатацией этого несомненного факта я и закончу.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях