[Перевод] Насколько быстро расширяется Вселенная?

Команды Хаббла и Гайи объединились, чтобы провести наиболее точное измерение на сегодня

В 1920-х Эдвин Хаббл сделал революционное открытие – оказалось, что Вселенная расширяется. Изначально такое положение вещей предсказывала Общая теория относительности Эйнштейна. Скорость этого расширения получила название «постоянной Хаббла«. К сегодняшнему дню с помощью современных телескопов – таких, как телескоп Хаббла – астрономы заново измерили и пересмотрели эту величину уже много раз.

Эти измерения подтвердили, что скорость расширения со временем увеличивалась, хотя учёные не уверены в том, почему. Последние измерения были проведены международной командой учёных, которые использовали данные с Хаббла, а потом сравнили их с данными, полученными на обсерватории Гайя Европейского космического агентства. В результате были получены наиболее точные измерения постоянной Хаббла на сегодняшний день, которые, однако, не сняли вопросы по поводу космического ускорения.

Исследование, описывающее эти открытия, было опубликовано в июле в журнале Astrophysical Journal под названием: «Стандарты цефеид Млечного пути для измерения космических расстояний и их применение к Гайя DR2: последствия для постоянной Хаббла». В исследовании участвовали учёные из Института исследований космоса с помощью космического телескопа, Университета Джонса Хопкинса, Национального института астрофизики, Калифорнийского университета в Беркли, Техасского университета A&M и Европейской южной обсерватории.

Три этапа измерения постоянной Хаббла: измерение параллакса для цефеид, измерение галактик, содержащих цефеиды и сверхновые типа Ia, измерение удалённых галактик, содержащих сверхновые типа Ia.

С 2005 года Адам Рисс – нобелевский лауреат, работающий с Институтом исследований космоса с помощью космического телескопа и Университетов Джонса Хопкинса – работал над уточнением значения постоянной Хаббла, усиливая и улучшая процесс построения космической лестницы расстояний. Вместе со своей командой, известной как «использование сверхновой H0 для вычисления уравнения состояния» (Supernova H0 for the Equation of State, SH0ES), они успешно уменьшили погрешность измерений скорости расширения Вселенной до 2,2%.

Если подробно, то астрономы традиционно используют шкалу расстояний в астрономии, или лестницу расстояний, для измерения расстояний до дальних объектов Вселенной. Она строится на основе таких вех, как переменные звёзды цефеиды – пульсирующие звёзды, расстояние до которых можно вычислить, сравнивая их абсолютную яркость с видимой [а абсолютную яркость вычислить, исходя из периода пульсаций / прим. перев.]. Такие измерения затем сравниваются с красным смещением света, приходящим от далёких галактик, чтобы определить, насколько быстро расширяется пространство между галактиками.

Отсюда выводится и постоянная Хаббла. Ещё один метод, это наблюдение за реликтовым излучением, и отслеживание расширения ранней Вселенной — когда с Большого взрыва прошло примерно 378 000 лет – из которых при помощи физики и экстраполяции выводится современная скорость расширения. Вместе этим методы должны обеспечить график расширения Вселенной с самого начала и до сегодняшних дней.

Однако астрономы уже довольно давно знают, что два этих измерения не совпадают между собой. В предыдущем исследовании, когда Рисс с командой также проводили исследования при помощи телескопа Хаббла, они получили значение постоянной, равное 73 км/с/Мпк. Тем временем, результаты, полученные из измерений обсерватории Планк (наблюдавшей за реликтовым излучением с 2009 по 2013 года), говорят о том, что постоянная Хаббла должна равняться 67 км/с/Мпк, и уж точно не более 69 – а это расхождение на целых 9%.

Реликтовое излучение в псевдоцветах

Как отметил Рисс в недавнем пресс-релизе НАСА:

Напряжённость переросла в настоящую несовместимость нашего представления о ранней и поздней Вселенной. Встало ясно, что это уже не следствие какой-то жуткой ошибки в одном из измерений. Это похоже на то, как если бы вы предсказали рост ребёнка по графику роста людей, а потом обнаружили, что, повзрослев, он очень сильно превысил ожидания. Мы совершенно сбиты с толку.

В данном случае Рисс с коллегами использовали телескоп Хаббл для оценки яркости удалённых цефеид, а Гайя предоставила данные по параллаксу – видимому изменению местоположения объекта в зависимости от точки зрения – необходимые для определения расстояния. Ещё один вклад Гайи заключался в измерении расстояния до 50 цефеид Млечного пути, которые были скомбинированы с измерениями Хаббла.

Это позволило астрономам более точно откалибровать Цефеиды и использовать те из них, что находятся вне Млечного Пути, в качестве маркеров. Используя измерения, полученные с Хаббла и новые данные от Гайи, Рисс с коллегами смогли уточнить измеренное значение скорости расширения до 73,5 км/с/Мпк.

Спутник Гайя Европейского космического агентства в данный момент выполняет свою пятилетнюю миссию по построению карты звёзд Млечного Пути.

Стефано Казертано из Института исследований космоса с помощью космического телескопа и член команды SH0ES добавил:

Хаббл удивительно хорошо справляется с ролью обсерватории общего назначения, но Гайя – это новый стандарт калибровки расстояний. Он специально создан для измерения параллакса – его для этого разработали. Гайя даёт новые возможности по рекалибровке всех предыдущих измеренных расстояний и подтверждает нашу предыдущую работу. Мы получаем ту же самую величину для постоянной Хаббла, заменяя все предыдущие калибровки шкалы расстояний просто величинами параллаксов, полученными от Гайи. Это перекрёстная проверка двух мощнейших и точных обсерваторий.

В будущем Рисс и его команда надеются продолжать работать с Гайей, чтобы уменьшить погрешность, связанную с постоянной Хаббла, до 1% к началу 2020-х. Тем временем расхождение между современной скоростью расширения и той, что получена из данных по реликтовому излучению, будет продолжать удивлять астрономов.

В итоге это может стать признаком того, что во Вселенной работает какая-то другая физика, что тёмная материя взаимодействует с нормальной материей не так, как подозревали учёные, или, что тёмная энергия может оказаться ещё более экзотической, чем считалось ранее. Какой бы ни была причина, ясно, что у Вселенной ещё найдутся для нас сюрпризы!