Странная физика постоянной Хаббла: разница между скоростью расширения локальной и первичной вселенной

Завершив почти 30-летний марафон, космический телескоп «Хаббл» откалибровал более 40 ориентиров пространства и времени, чтобы помочь ученым точно измерить скорость расширения Вселенной.

Изучение скорости расширения Вселенной началось в 1920-х годах с измерений астрономами Эдвином П. Хабблом и Жоржем Леметром. В 1998 году это привело к открытию «темной энергии», таинственной силы отталкивания, ускоряющей расширение Вселенной.

В последние годы, благодаря данным Хаббла и других телескопов, астрономы обнаружили странность: несоответствие между скоростью расширения, измеренной в локальной вселенной, и независимыми наблюдениями сразу после Большого взрыва, которые предсказывают другое значение расширения.

Причина этого несоответствия остается загадкой. Но данные Хаббла, охватывающие множество космических объектов, которые служат маркерами расстояния, подтверждают идею о том, что происходит что-то странное, возможно, связанное с совершенно новой физикой.

«Вы получаете наиболее точную меру скорости расширения Вселенной с помощью золотого стандарта телескопов и маркеров космических расстояний», — сказал лауреат Нобелевской премии Адам Рисс из Научного института космического телескопа (STScI).

Адам Рисс возглавляет научное сотрудничество, исследующее скорость расширения Вселенной, под названием SHOES, что означает Supernova, H0, для уравнения состояния темной энергии. «Это то, для чего был построен космический телескоп Хаббл с использованием лучших известных нам методов. Это, вероятно, выдающийся труд Хаббла, потому что потребовалось бы еще 30 лет жизни Хаббла, чтобы хотя бы удвоить этот размер выборки», — сказал Адам Рисс.

В статье группы Рисса, которая будет опубликована в специальном выпуске журнала The Astrophysical Journal, сообщается о завершении крупнейшего и, вероятно, последнего крупного обновления постоянной Хаббла. Новые результаты более чем вдвое превышают предыдущую выборку маркеров космических расстояний. Его команда также повторно проанализировала все предыдущие данные.

Когда в 1970-х годах НАСА задумывало большой космический телескоп, одним из основных оправданий затрат и чрезвычайных технических усилий была возможность наблюдать цефеиды, звезды, которые периодически становятся ярче и тускнеют, видимые внутри нашего Млечного Пути и внешних галактик. Цефеиды долгое время были золотым стандартом космических расстояний с тех пор, как их полезность была открыта астрономом Генриеттой Свон Ливитт в 1912 году. Для расчета гораздо больших расстояний астрономы используют взрывающиеся звезды, называемые сверхновыми типа Ia.

Вместе эти объекты построили «космическую лестницу расстояний» во Вселенной и необходимы для измерения скорости расширения Вселенной, называемой постоянной Хаббла в честь Эдвина Хаббла. Это значение имеет решающее значение для оценки возраста Вселенной и обеспечивает базовую проверку нашего понимания Вселенной.

Сразу после запуска телескопа в 1990 году первая серия наблюдений звезд цефеид для уточнения постоянной Хаббла. К началу 2000-х годов астрономы объявили, что «миссия выполнена», достигнув точности 10 процентов для постоянной Хаббла, 72 плюс-минус 8 километров в секунду на мегапарсек.

В 2005 году и в 2009 году добавление новых мощных камер на борт телескопа Хаббла положило начало «поколению 2» постоянных исследований Хаббла, когда команды астрономов намеревались уточнить значение с точностью всего до одного процента. Это было названо программой SHOES. Несколько групп астрономов, использующих Хаббл, в том числе SHOES, сошлись на значении постоянной Хаббла, равном 73 плюс-минус 1 километр в секунду на мегапарсек. В то время как для исследования постоянной Хаббла использовались другие подходы, разные группы пришли к значениям, близким к одному и тому же числу.

В команду SHOES входят многие известные ученые. Проект был разработан, чтобы уточнить расширение Вселенной путем сопоставления с точностью постоянной Хаббла, полученной в результате изучения космического микроволнового фонового излучения, оставшегося с момента зарождения Вселенной.

«Постоянная Хаббла — это очень особенное число. Его можно использовать, чтобы продеть иголку из прошлого в настоящее для сквозной проверки нашего понимания Вселенной. Это потребовало феноменального количества детальной работы», — говорит Лисия Верде, космолог из ICREA и ICC-University of Barcelona, ​​рассказывая о работе команды SHOES.

Команда измерила 42 отметки сверхновых с помощью Хаббла. Поскольку они взрываются со скоростью примерно один раз в год, Хаббл для всех практических целей зарегистрировал столько сверхновых, сколько возможно.

Странная физика?

Предсказывалось, что скорость расширения Вселенной будет медленнее, чем на самом деле видит Хаббл. Объединив Стандартную космологическую модель Вселенной и измерения миссии «Планк» Европейского космического агентства (которая наблюдала реликтовый космический микроволновый фон 13,8 миллиарда лет назад), астрономы предсказывают более низкое значение постоянной Хаббла: 67,5 плюс-минус 0,5 км/ч. секунды на мегапарсек, по сравнению с оценкой команды SHOES в 73 км/сек на мегапарсек.

Учитывая большой размер выборки Хаббла, вероятность того, что астрономы ошибутся, составляет всего один шанс на миллион, сказал Адам Рисс, что является обычным порогом для серьезного отношения к проблеме в физике.

Астрономы пока не могут найти объяснение разницы между скоростью расширения локальной и первичной вселенной, но ответ может включать дополнительную физику вселенной.

Такие сбивающие с толку открытия сделали жизнь космологов более захватывающей. Тридцать лет назад они начали измерять постоянную Хаббла для оценки Вселенной, но теперь это стало еще более интересным. «На самом деле меня не волнует конкретное значение расширения, но мне нравится использовать его для изучения Вселенной», — добавил Адам Рисс.

Новый космический телескоп Джеймс Уэбб продолжит работу Хаббла, показывая космические ориентиры на больших расстояниях или в более четком разрешении, чем то, что может видеть Хаббл.