Новые методы измерения расширения Вселенной
Исследователи используют гравитационное линзирование, чтобы увидеть, насколько быстро на самом деле расширяется Вселенная
При изучении Вселенной астрономы столкнулись с противоречием, способным переписать законы физики. Речь идет о скорости расширения, выраженной в числе, известном как постоянная Хаббла. С одной стороны, измерения по «местным» объектам дают один результат. С другой стороны, подсчеты, основанные на древнем свете юной Вселенной, — иной. Это расхождение, именуемое «напряжением Хаббла», будоражит умы ученых, ведь оно может быть ключом к неизвестной физике, скрытой в темной материи, темной энергии или в чем-то вообще совершенно неожиданном. Недавно международная команда исследователей представила новый независимый метод измерения, который добавляет веса гипотезе о том, что это напряжение — не ошибка, а отражение реальных, еще не открытых процессов.
Суть проблемы заключается в двух несовпадающих значениях. Наблюдая за относительно близкими объектами, такими как сверхновые и цефеиды (звезды-«маяки»), астрономы вычисляют, что на каждый мегапарсек (около 3.26 миллиона световых лет) пространства Вселенная расширяется, «разбегаясь» со скоростью примерно 73 километра в секунду. Однако когда ученые обращаются к самому древнему «снимку» Вселенной — реликтовому излучению, оставшемуся после Большого взрыва, — их расчеты дают более скромную цифру около 67 км/с/Мпк. Для космологии, науки о глобальных процессах, такое расхождение сопоставимо с фундаментальным кризисом.
Именно здесь на сцену выходит работа группы под руководством Кеннета Вонга и Эрика Паика. Они усовершенствовали метод, известный как космография с временной задержкой, который минимизирует зависимость от традиционной «лестницы расстояний». Его принцип основан на феномене гравитационного линзирования, предсказанном Общей теорией относительности Эйнштейна.
Когда между Землей и чрезвычайно далеким ярким объектом (например, квазаром) находится массивная галактика, ее гравитация искривляет пространство-время, действуя как гигантская линза. Это приводит к тому, что свет от фонового объекта идет к нам разными путями, создавая несколько его изображений вокруг галактики-линзы.
Поскольку каждый из этих путей имеет разную длину и проходит через области с разным гравитационным потенциалом, свет приходит с разной временной задержкой — иногда днями, а иногда и годами. Тщательно отслеживая колебания яркости квазара на каждом из этих изображений, ученые могут с высокой точностью измерить эти задержки. Затем, создав детальную модель распределения массы в галактике-линзе (включая как видимое вещество, так и темную материю), они вычисляют абсолютные расстояния в системе. А зная расстояние и красное смещение объекта, можно независимо определить постоянную Хаббла.
В данном исследовании астрономы применили этот метод к восьми системам с линзированными квазарами, используя данные с телескопов, включая «Хаббл» и «Джеймс Уэбб». Их результат — значение постоянной Хаббла, которое уверенно ложится в диапазон, полученный методами для «поздней» Вселенной (около 73 км/с/Мпк), и заметно расходится с данными по «ранней» Вселенной.
Это критически важный момент, как подчеркивает Кеннет Вонг: их метод полностью независим как от сверхновых, так и от анализа реликтового излучения. Поэтому систематические ошибки, которые могли вкрасться в эти цепочки измерений, здесь не работают. Таким образом, новое исследование усиливает позицию тех, кто считает, что напряжение Хаббла — не артефакт измерений, а указание на пробелы в наших физических моделях.
Однако путь к окончательному ответу еще далек. Текущая точность метода составляет около 4.5%, в то время как для однозначного разрешения спора необходима точность на уровне 1-2%. Главным источником неопределенности, как отмечают ученые, остается наше неполное знание о точном распределении массы внутри галактик-линз. Для дальнейшего прогресса требуется значительно увеличить выборку изучаемых систем линз и продолжать совершенствовать моделирование.