Постоянная Хаббла — новое измерение может изменить понимание Вселенной
Вселенная расширяется, но вопрос в том, насколько быстро? Ответ, по-видимому, зависит от того, оцениваете ли вы скорость космического расширения, называемую постоянной Хаббла, или H0, на основе эха Большого взрыва (космического микроволнового фона, или CMB) или измеряете H0 непосредственно на основе современных звезд и галактик. Эта проблема, известная как напряжение Хаббла, ставит в тупик астрофизиков и космологов всего мира.
Исследование, проведенное группой Stellar Standard Candles and Distances под руководством Ричарда Андерсона из Института физики EPFL, добавляет новую часть головоломки.
Оно позволило добиться наиболее точной калибровки звезд-цефеид — типа переменных звезд, светимость которых колеблется в течение определенного периода времени — для измерений расстояний на основе данных, собранных миссией Gaia Европейского космического агентства. Новая калибровка еще больше усиливает напряжение Хаббла.
Постоянная Хаббла (H0) названа в честь астрофизика, который вместе с Жоржем Леметром открыл расширение вселенной в конце 1920-х годов. Она измеряется в километрах в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк), где 1 Мпк составляет около 3,26 миллиона световых лет.
Наилучшее прямое измерение H0 использует «лестницу космических расстояний», первая ступень которой определяется абсолютной калибровкой яркости цефеид, которая теперь перекалибрована исследованием EPFL. В свою очередь, цефеиды калибруют следующую ступень лестницы, где сверхновые — мощные взрывы звезд в конце их жизни — отслеживают расширение самого пространства.
Эта лестница расстояний, измеренная сверхновыми, H0, для группы по уравнению состояния темной энергии (SH0ES) под руководством Адама Рисса, лауреата Нобелевской премии по физике 2011 г., определяет H0 как 73,0 ± 1,0 км / с / Мпк.
Первое излучение после Большого взрыва
H0 также можно определить, интерпретируя реликтовое излучение — вездесущее микроволновое излучение, оставшееся после Большого взрыва более 13 миллиардов лет назад. Однако этот метод измерения «ранней Вселенной» должен предполагать наиболее подробное физическое понимание того, как развивается Вселенная, что делает ее зависимой от модели. Спутник ESA Planck предоставил наиболее полные данные о CMB, и согласно этому методу H0 составляет 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк.
Напряжение Хаббла относится к этому расхождению в 5,6 км / с / Мпк, в зависимости от того, используется ли метод реликтового излучения (ранняя Вселенная) или метод лестницы расстояний (поздняя Вселенная).
Подразумевается, при условии, что измерения, выполненные обоими методами, верны, есть что-то неправильное в понимании основных физических законов, управляющих Вселенной. Естественно, эта проблема подчеркивает, насколько важно, чтобы методы астрофизики были надежными.
Новое исследование EPFL также важно, потому что оно укрепляет первую ступень лестницы расстояний, улучшая калибровку цефеид как индикаторов расстояний. Действительно, новая калибровка позволяет измерять астрономические расстояния с точностью до ± 0,9%, и это дает сильную поддержку измерениям поздней Вселенной.
Кроме того, результаты, полученные в EPFL в сотрудничестве с командой SH0ES, помогли уточнить измерение H0, что привело к повышению точности и повышению значимости хаббловского напряжения.
«Наше исследование подтверждает скорость расширения 73 км/с/Мпк, но, что более важно, оно также обеспечивает наиболее точную и надежную калибровку цефеид как инструментов для измерения расстояний на сегодняшний день», — говорят ученые.
Переосмысление основных концепций
Почему разница всего в несколько км/с/Мпк имеет значение, учитывая огромные масштабы Вселенной? «Это несоответствие имеет очень большое значение», — говорит Ричард Андерсон, руководитель исследования.
«Предположим, вы хотите построить туннель, прокопав два противоположных склона горы. Если вы правильно поняли тип породы и если ваши расчеты верны, то два вырытые вами тоннеля встретятся в центре. Но если нет, значит, вы допустили ошибку — либо ваши расчеты неверны, либо вы ошиблись в отношении типа породы».
«Вот что происходит с постоянной Хаббла. Чем больше мы получаем подтверждений точности наших расчетов, тем больше мы можем заключить, что расхождение означает, что наше понимание Вселенной ошибочно, что Вселенная не совсем такая, как мы думали».
Несоответствие имеет много других последствий. Оно ставит под вопрос самые основы, такие как природа темной энергии, пространственно-временной континуум и гравитация. «Это означает, что мы должны переосмыслить основные концепции, которые составляют основу нашего общего понимания физики», — говорит Ричард Андерсон.
Исследование его группы вносит важный вклад и в другие области. «Поскольку наши измерения очень точны, они дают нам представление о геометрии Млечного Пути», — говорит Маурисио Рейес, автор исследования.
«Высокоточная калибровка, которую мы разработали, позволит нам лучше определить размер и форму Млечного Пути как галактики с плоским диском, а также, например, его расстояние от других галактик. Наша работа также подтвердила надежность данных Gaia, сравнив их с данными, полученными с других телескопов».