Улучшенный критерий константы Хаббла дает доказательства новой физики во Вселенной

Астрономы использовали Космический телескоп Хаббл NASA, чтобы сделать самые точные измерения скорости расширения Вселенной, которая была впервые рассчитана почти столетие назад. Интригующие результаты заставляют астрономов считать, что они могут видеть доказательства чего-то неожиданного во Вселенной.

Это потому, что последнее обнаружение Хаббла подтверждает несоответствие, показывающее, что Вселенная расширяется быстрее, чем ожидалось от ее траектории, видимой вскоре после Большого Взрыва. Исследователи предполагают, что для объяснения непоследовательности может возникнуть новая физика.

«Сообщество ученых действительно борется с пониманием смысла этого несоответствия», — сказал ведущий исследователь и лауреат Нобелевской премии Адам Рисс из Института космических телескопов (STScI) и Университета Джона Хопкинса в Балтиморе.

Команда Рисса, в которую также входит Стефано Казертано, использует телескоп Хаббл в течение последних шести лет, чтобы уточнить измерения расстояний до галактик, используя их звезды в качестве маркеров. Эти измерения используются для расчета того, насколько быстро вселенная расширяется со временем, значение, известное как постоянная Хаббла. Новое исследование группы расширяет количество звезд, проанализированных на расстояниях до 10 раз большего, чем предыдущие результаты Хаббла.

Наблюдение усиливает несоответствие ожидаемому значению, полученному в результате наблюдений за расширением ранней вселенной, через 378 000 лет после Большого взрыва — ключевого события, которое создало вселенную примерно 13,8 миллиардов лет назад. Эти измерения были сделаны спутником Планка Европейского космического агентства, который отображает космический микроволновый фон, реликвию Большого взрыва. Разница между этими двумя значениями составляет около 9 процентов. Новые измерения Хаббла помогают уменьшить вероятность расхождения в значениях к 1 из 5000.

Ранее результат наблюдений Планка предсказал, что постоянная величина Хаббла должна составлять 67 километров в секунду на один мегапарсек (3,3 миллиона световых лет) и может быть не выше 69 километров в секунду на мегапарсек. Это означает, что при удалении на каждые 3,3 миллиона световых лет от нас галактика движется на 67 километров в секунду быстрее. Но команда Рисса получила значение 73 километров в секунду на мегапарсек, что указывает на то, что галактики движутся быстрее, чем предполагают наблюдения ранней Вселенной.

Данные Хаббла настолько точны, что астрономы не могут трактовать разрыв между этими двумя результатами как ошибки в любом одном измерении или методе. «Оба результата были проверены несколькими способами, поэтому, — пояснил Адам Рисс, — все ближе вероятность того, что это не ошибка, а свойство Вселенной».

Объяснение несоответствия

Рисс рассказал о нескольких возможных объяснениях несоответствия, связанных с 95 процентами вселенной, которая окутана темной энергией. Одна из возможностей заключается в том, что темная энергия может отталкивать галактики друг от друга с еще большей или растущей силой. Это означает, что само ускорение может не иметь постоянного значения во Вселенной, но со временем изменяется во Вселенной.

Другая идея состоит в том, что Вселенная содержит новую субатомную частицу, скорость которой приближается к скорости света. Такие быстрые частицы в совокупности называются «темным излучением» и включают ранее известные частицы, такие как нейтрино, которые создаются в ядерных реакциях и радиоактивных распадах. В отличие от нормального нейтрино, которое взаимодействует по субатомной силе, эта новая частица будет затронута только гравитацией и будет называться «стерильным нейтрино».

Еще одна привлекательная возможность заключается в том, что темная материя (невидимая форма материи, не состоящая из протонов, нейтронов и электронов) сильнее взаимодействует с нормальным веществом или излучением, чем предполагалось ранее.

Любой из этих сценариев изменит содержание ранней Вселенной, что приведет к несогласованности теоретических моделей. Эти несоответствия приведут к некорректной ценности константы Хаббла, вытекающей из наблюдений раннего космоса. Тогда это значение будет противоречить числу, полученному из наблюдений Хаббла.

У Адама Рисса и его коллег еще нет ответов на эту проблему, но его команда будет продолжать работать над скоростью расширения вселенной. До того, как телескоп Хаббл был запущен в 1990 году, оценки константы Хаббла менялись в два раза. Одна из основных целей Хаббла заключалась в том, чтобы помочь астрономам уменьшить значение этой неопределенности с точностью до 10 процентов. С 2005 года группа была в поисках уточнения точности константы Хаббла, которая позволяет лучше понять поведение Вселенной.

Строительство строгой дистанционной лестницы

Команда добилась успеха в уточнении постоянной ценности Хаббла, упорядочивая и усиливая строительство космической дистанционной лестницы, которую астрономы используют для измерения точных расстояний до галактик, расположенных вблизи и вдали от Земли. Исследователи сравнили эти расстояния с расширением пространства, измеренные растяжением света от отходящих галактик. Затем они использовали кажущуюся внешнюю скорость галактик на каждом расстоянии для вычисления постоянной Хаббла.

Но значение константы Хаббла  так же точно, как точность измерений. Астрономы не могут использовать рулетку для измерения расстояний между галактиками. Вместо этого они выбрали специальные классы звезд и сверхновых звезд в качестве космических критериев или маркеров, чтобы точно измерить галактические расстояния.

Среди наиболее надежных для более коротких расстояний — цефеидные переменные, пульсирующие звезды, которые ярче и тускнеют по скоростям, которые соответствуют их внутренней яркости. Поэтому расстояния до них можно определить, сравнивая их внутреннюю яркость с их кажущейся яркостью, как видно на Земле.

Астроном Генриетта Ливитт первым признала полезность переменных цефеид для измерения расстояний в 1913 году. Но первым шагом является измерение расстояний до цефеид независимо от их яркости с использованием основного инструмента геометрии, называемого параллаксом. Параллакс — это видимый сдвиг позиции объекта из-за изменения точки зрения наблюдателя. Этот метод был изобретен еще древними греками, которые использовали его для измерения расстояния от Земли до Луны.

Последний результат Хаббла основан на измерениях параллакса восьми недавно проанализированных цефеид в нашей галактике Млечный Путь. Эти звезды примерно в 10 раз дальше, чем все ранее изученные, находятся на расстоянии от 6000 световых лет до 12 000 световых лет от Земли, что делает их более сложными для измерения. Они пульсируют с более длинными интервалами, точно так же, как цефеиды, наблюдаемые Хабблом в далеких галактиках, содержащие еще один надежный критерий, взрывающиеся звезды, называемые сверхновыми типа Ia. Этот тип сверхновой вспыхивает с одинаковой яркостью и достаточно близок к тому, чтобы его можно было видеть относительно дальше. Предыдущие наблюдения Хаббла изучали 10 более быстро мигающих цефеид, расположенных от 300 до 1600 световых лет от Земли.

Сканирование звезд

Чтобы измерить параллакс с помощью Хаббла, команде пришлось измерить кажущееся крошечное колебание цефеид из-за движения Земли вокруг Солнца. Эти колебания составляют всего лишь 1/100 одного пикселя на телескопе, что примерно равно кажущемуся размеру песчинки, видимой на расстоянии 100 километров.

Поэтому для обеспечения точности измерений астрономы разработали новый метод, который не предполагался при запуске Хаббла. Исследователи изобрели технологию сканирования, в которой телескоп измерял положение звезды тысячу раз в минуту каждые шесть месяцев в течение четырех лет.

Команда откалибровала истинную яркость восьми медленно пульсирующих звезд и перекрестно коррелировала их с их более отдаленными мигающими собратьями, чтобы выявить неточности на их дистанционной лестнице. Затем исследователи сравнили яркость цефеид и сверхновых в этих галактиках для большей уверенности, чтобы они могли более точно измерять истинную яркость звезд и, следовательно, более точно вычислять расстояния до сотен сверхновых в дальних галактиках.

Другим преимуществом этого исследования является то, что команда использовала тот же инструмент — широкополосную камеру Хаббла, чтобы калибровать светимости как близлежащих цефеид, так и других галактик, устраняя систематические ошибки, которые практически неизбежно находятся путем сравнения этих измерений с различных телескопов.

«Обычно, если каждые шесть месяцев вы пытаетесь измерить изменение положения одной звезды относительно другой на этих расстояниях, вы ограничены своей способностью точно определять, где находится звезда», — объяснил Казертано. Используя новую технику, Хаббл медленно поражает звездную цель и захватывает изображение как полосу света. «Этот метод позволяет повторять возможности измерения чрезвычайно крошечных смещений из-за параллакса», добавил Адам Рисс. «Вы измеряете расстояние между двумя звездами, но не только в одном месте на камере, но более тысячи раз, уменьшая погрешность такого измерения».

Цель команды состоит в том, чтобы еще больше уменьшить неопределенность, используя данные Хаббла и Космической обсерватории Европейского космического агентства, которые будут измерять позиции и расстояния звезд с беспрецедентной точностью. «Эта точность — то, что потребуется, чтобы диагностировать причину найденного несоответствия», — сказал Казертано.