[Перевод] Сюрприз: постоянная Хаббла на самом деле непостоянна

Часть изображения, полученного в рамках наблюдения Hubble eXtreme Deep Field, в комбинированном ультрафиолете, видимом свете и инфракрасном излучении – самого глубокого взгляда во Вселенную из всех, что мы предпринимали. Различные видимые здесь галактики находятся на разных расстояниях и имеют разное красное смещение, что позволяет нам вывести закон Хаббла.

Вселенная огромна, и на миллиарды световых лет во всех направлениях заполнена звёздами и галактиками. С самого Большого взрыва свет путешествует, отправляясь с каждого создавшего его источника, и совсем малая часть этого света доходит до наших глаз. Но свет не просто перемещается через пространство из точки испускания и до того места, где мы находимся сегодня; кроме этого, расширяется сама ткань пространства.

Чем дальше от нас находится галактика, тем больше пространство между нами растягивает – и смещает в красную часть спектра – тот свет, что в итоге прибудет к нашим глазам. Заглядывая на всё более далёкие расстояния, мы видим увеличение красного смещения. Если построить график того, как видимая скорость удаления зависит от расстояния, мы получим красивое, прямолинейное взаимоотношение: закон Хаббла. Но наклон этой линии, постоянная Хаббла, на самом деле совсем не постоянен. И это одно из наиболее сильных заблуждений во всей астрономии.


Зависимость красного смещения от расстояния для удалённых галактик. Не попадающие на линию точки смещены из-за разности пекулярных скоростей, но они лишь немного отклоняются от наблюдаемой общей картины. Изначальные дата, полученные самим Эдвином Хабблом, и впервые использованные для демонстрации расширения Вселенной, умещаются в небольшой красный прямоугольник в левом нижнем углу.

Расширение Вселенной мы понимаем двояко: теоретически и через наблюдения. Наблюдая за Вселенной, мы видим несколько важных фактов, связанных с расширением:

• Вселенная расширяется с одной скоростью во всех направлениях.
• Чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
• Всё это верно только в среднем.

У отдельных галактик наблюдается большой разброс реальных скоростей, существующий благодаря гравитационным взаимодействиям со всем веществом Вселенной.

Двумерный срез ближайших к нам участков Вселенной, плотность которых выше (красное) и ниже (синее/чёрное) среднего значения. Линии и стрелки показывают направления пекулярных скоростей, но вся эта картина включена в ткань расширяющегося пространства.

Но эта проблема не является непреодолимой. Во Вселенной есть не просто несколько галактик, расстояние и красное смещение которых мы можем измерить; мы провели такие измерения буквально для миллионов галактик. Огромное количество галактик мы можем сгруппировать так, чтобы каждая группа находилась на определённом среднем расстоянии от нас, и мы могли бы подсчитать их среднее красное смещение. После такой процедуры мы обнаруживаем прямолинейную зависимость, определяющую закон Хаббла.

Но вот, в чём сюрприз. Если заглянуть на достаточно большие расстояния, становится видно, что скорость расширения уже не подчиняется прямолинейному закону, и начинает закругляться.

Зависимость скорости видимого расширения (ось у) от расстояния (ось х) соответствует тому, что Вселенная в прошлом расширялась быстрее, однако расширяется и сегодня. Это современная (2014 год) версия работы Хаббла, распространяющаяся на дистанции в тысячи раз большие. Заметим, что точки не формируют прямую линию, а значит, скорость расширения со временем меняется.

Используя термин «постоянная Хаббла», мы имеем в виду наклон этой линии. Если это не линия – то есть, если её наклон меняется – это говорит о том, что хаббловская скорость расширения Вселенной не является константой! Мы называем её постоянной Хаббла потому, что Вселенная расширяется с одной и той же скоростью в любой её точки: постоянная Хаббла постоянна в пространстве.

Но скорость расширения, и значение постоянной Хаббла, изменяются со временем. Это не загадка, а то, чего и следовало ожидать. Чтобы это понять, давайте посмотрим на это с другой точки зрения: теоретической.

Итан Сигель на фоне гиперстены Американского астрономического общества в 2017 году, вместе с первым уравнением Фридмана, справа.
#МоёЛюбимоеУравнение
Первое уравнение Фридмана предсказывает скорость расширения Вселенной на основании её содержимого

Первое уравнение Фридмана получается у нас, если начать со Вселенной, равномерно заполненной материей, излучением и всеми остальными формами энергии. Единственные используемые здесь предположения – Вселенная изотропна (одинаковая во всех направлениях), гомогенна (имеет одинаковую плотность повсюду) и подчиняется Общей теории относительности. Приняв это, вы получаете взаимоотношение величины H, скорости Хаббла (слева) и различных форм материи и энергии Вселенной (справа):

Первое уравнение Фридмана, как его обычно записывают сегодня. Левая часть определяет скорость расширения и эволюцию пространства-времени, а правая включает все различные формы материи и энергии, а также пространственную кривизну

Что интересно, с расширением Вселенной плотности материи, излучения и энергии могут меняться. К примеру, с расширением Вселенной увеличивается её объём, но общее количество частиц остаётся неизменным. Это означает, что в расширяющейся Вселенной:

• плотность материи падает как a^-3,
• плотность излучения падает, Как a^-4,
• плотность тёмной энергии остаётся постоянной, и эволюционирует, как a⁰,

где a – фактор масштаба (расстояние или радиус) Вселенной. Со временем a растёт, и различные компоненты Вселенной становятся более или менее важными относительно друг друга.

Как материя (вверху), излучение (в середине) и космологическая константа (внизу) развиваются со временем в расширяющейся Вселенной

Вселенная с большей плотностью энергии расширяется быстрее. И наоборот, вселенная с меньшей плотностью энергии расширяется медленнее. С возрастом Вселенная расширяется: при расширении материя и излучение становятся менее плотными; с уменьшением плотности уменьшается и скорость расширения. В любой момент времени скорость расширения определяет значение постоянной Хаббла. В далёком прошлом скорость расширения была гораздо больше, а сегодня – наименьшая.

Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной, и периоды их доминирования. Если бы космические струны или стены доменов существовали в каком-то значимом количестве, они вносили бы существенный вклад в расширение Вселенной. Могут даже быть и какие-то другие компоненты Вселенной, которых нам уже больше не видно, или которые ещё только собираются проявить себя! К сегодняшнему моменту тёмная энергия доминирует, материя достаточно важна, а излучением можно пренебречь.

Так почему же очень удалённые галактики подчиняются этому прямолинейному соотношению? Потому, что весь свет, прибывающий к нашим глазам, от света, испущенного соседней галактикой, до света, испущенного галактикой, находящейся в миллиардах световых лет от нас, к моменту подхода к нам достигает возраста в 13,8 млрд лет. Ко времени прихода света всё во Вселенной прожило ту же самую постоянно меняющуюся Вселенную, что и мы. Постоянная Хаббла в прошлом, когда была испущена большая часть света, была выше, но на то, чтобы этот свет прибыл к нашим глазам, ушло миллиарды лет.

Свет может быть испущен с разной длиной волны, но расширение Вселенной растянет его в пути. Свет, испущенный галактикой 13,4 млрд лет назад в ультрафиолете, будет сдвинут в инфракрасный диапазон.

Со временем Вселенная расширялась, а значит, длина волны света увеличивалась. Тёмная энергия стала достаточно важной лишь в последние 6 млрд лет, и мы дошли до момента, когда она довольно быстро становится единственным компонентом Вселенной, влияющим на скорость её расширения. Если бы мы вернулись в то время, когда Вселенная была в два раза моложе, то скорость расширения была бы на 80% больше сегодняшней. А когда Вселенной было 10% от текущего возраста, скорость расширения была в 17 раз больше, чем сегодня.

Когда Вселенная станет в десять раз старше, чем сегодня, её скорость расширения составит 18% от сегодняшней.

Голубым закрашен диапазон возможных неопределённостей того, как плотность тёмной энергии может отклоняться в прошлом и будущем. Данные указывают на наличие истинной космологической «константы», но другие возможности пока никто не отверг. К сожалению, преобразование материи в излучение не может быть кандидатом на тёмную энергию; в результате его то, что раньше вело себя, как материя, просто ведёт себя, как излучение.

Всё из-за наличия тёмной энергии, ведущей себя, как космологическая константа. В далёком будущем материя и излучение станут относительно неважными по сравнению с тёмной энергией, а значит, плотность энергии Вселенной будет оставаться постоянной. В таких условиях скорость расширения достигнет устойчивой и конечной величины, и таким и останется. В далёком будущем постоянная Хаббла станет постоянной не только в пространстве, но и во времени.

В далёком будущем, измерив скорость и расстояние до всех видимых объектов, мы получим одинаковый наклон этой линии повсюду. Постоянная Хаббла станет истинно постоянной.

Относительная важность различных компонентов энергии Вселенной в различное время в прошлом. Когда тёмная энергия приблизится в будущем к отметке в 100%, плотность энергии Вселенной будет оставаться постоянной на сколь угодно большом промежутке времени.

Если бы астрономы точнее обращались со словами, они назвали бы H параметром Хаббла, а не постоянной Хаббла, поскольку она меняется со временем. Но несколько поколений подряд мы могли измерять относительно небольшие расстояния, и H казалась постоянной, поэтому мы не стали её переименовывать. Нам приходится лишь уточнять, что H это функция времени, и только сегодня – когда мы называем её H₀ — она постоянна. На самом деле параметр Хаббла изменяется со временем, и остаётся постоянным только по всему пространству. Но если бы мы дожили до далёкого будущего, мы увидели бы, что H в какой-то момент перестаёт меняться. Сегодня мы можем тщательно разделять реальные постоянные величины и те, что меняются со временем, но в далёком будущем благодаря тёмной энергии этой разницы уже не будет.