Если мы говорим, что нашей Вселенной 13,8 миллиарда лет, то это потому, что за последние 34 года наблюдений космический телескоп «Хаббл» позволил нам точно измерить скорость ее расширения.
Вот уже сто лет мы знаем, что наша Вселенная расширяется, что это расширение ускоряется и что скорость изменения этого процесса можно измерить с помощью параметра, называемого постоянной Хаббла. Значение этой постоянной измерялось различными методами, например, с помощью измерения телескопом «Хаббл» промежуточных индикаторов, известных как переменные звезды Цефеиды.
Однако значение, полученное по данным Хаббла, не согласуется с другими измерениями, свидетельствующими о том, что Вселенная расширялась быстрее после Большого взрыва, которые были сделаны путем картирования космического микроволнового фонового излучения с помощью спутника ЕКА «Планк». Это несоответствие известно как «напряженность Хаббла».
В сентябре 2023 года космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил то же значение, что и скорость космического расширения, полученная Хабблом. Но чтобы развеять все сомнения, ученые провели дополнительные измерения Цефеид с помощью «Уэбба», а затем сравнили их с теми же данными, полученными «Хабблом».
Это дало им окончательное подтверждение того, что они могут исключить ошибки измерений в оценке постоянной Хаббла, полученной с помощью двух космических телескопов, и, следовательно, они могут считать, что это значение особенно перспективно для решения проблемы хаббловского напряжения раз и навсегда. А может, и нет…
Беспрецедентная выборка
Группу SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), которая проводила новые измерения, возглавлял физик Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, лауреат Нобелевской премии по физике 2011 года вместе с Солом Перлмуттером и Брайаном П. Шмидтом за открытие ускорения Вселенной с помощью изучения сверхновых звезд.
В ходе новых наблюдений в высоком разрешении с помощью «Джеймса Уэбба» была изучена значительно увеличенная выборка по сравнению с предыдущими измерениями. Всего в ней 1000 Цефеид, включенных в пять галактик-хозяев восьми сверхновых типа Ia. В частности, эта выборка:
- Достигнута самая дальняя галактика, в которой мы измеряли Цефеиды: NGC 5468, на расстоянии 150 миллионов световых лет.
- Удвоен диапазон рассматриваемых космических расстояний, чтобы охватить весь диапазон, ранее проанализированный с помощью Хаббла.
- Втрое увеличили размер выборки цефеид, изученных до сих пор, для измерения постоянной Хаббла.
Кроме того, в этой выборке благодаря превосходному разрешению инструментов «Уэбба» удалось значительно снизить, а в практическом плане почти полностью устранить шум вытеснения — основной источник шума в ближней инфракрасной фотометрии наблюдаемых переменных Цефеид.
Поля NIRCam с аппарата «Джеймс Уэбб», наложенные на цветные изображения Digitized Sky Survey для четырех звезд (вверху), и RGB-изображения NIRCam (F090W/F150W/F277W), показывающие положение цефеид (голубые кружки) в новой выборке, проанализированной с помощью «Уэбба». Север находится вверху, а восток — слева.
Вероятность ошибки отвергается с уверенностью 8σ
Выборка наблюдений «Уэбба», полученная командой Рисс и коллег, дает очень сильное доказательство того, что фотометрия Цефеид в ближней инфракрасной области, полученная с помощью «Хаббла», является точной, хотя и более шумной, чем фотометрия, полученная с помощью «Джеймса Уэбба».
В частности, уровень уверенности в отклонении гипотезы о недостаточной точности этих данных достигает 8,2σ, то есть эта уверенность даже выше, чем уверенность в наличии хаббловской напряженности.
Этот результат говорит нам о двух вещах. Первое — скорость расширения Вселенной, рассчитанная на основе фотометрических данных Хаббла по переменным цефеидам и подтвержденная анализом с помощью «Джеймса Уэбба», основана на точных данных. Таким образом, наблюдения этих двух космических телескопов остаются надежными, даже когда мы продвигаемся по шкале космических расстояний.
Что, если мы неправильно понимаем Вселенную?
Второе: ясно, что до сих пор нет объяснения хаббловской напряженности, то есть почему «Хаббл» и «Уэбб» дают один результат, а миссия Plack — другой.
Как менялось расширение Вселенной на протяжении миллиардов лет, еще предстоит непосредственно наблюдать, а косвенные наблюдения, которыми мы до сих пор пользовались благодаря переменным Цефеидам и космическому фоновому излучению, не позволяют нам понять, почему существует расхождение. «На данный момент весьма вероятно, что решение хаббловского напряжения существует где-то еще», — пишут ученые в статье.
Помочь в решении этой задачи смогут две крупные будущие миссии. Одна из них уже действует — это «Евклид», самый амбициозный космический телескоп, когда-либо спроектированный, построенный и запущенный Европой, который недавно начал свой космический обзор. Задача «Евклида» — детальное изучение 95 процентов Вселенной, состоящей из темной материи и темной энергии, которые, как считается, ответственны за ускорение космического расширения.
Второй проект, который поможет в будущем и который будет сотрудничать с «Евклид», — это космический телескоп НАСА «Нэнси Грейс Роман», запуск которого в настоящее время запланирован на 2027 год. Эти миссии смогут обеспечить более широкий взгляд на проблему, новые прямые наблюдения и новые методы изучения истории космоса. Как отметил Рисс: «Нам необходимо выяснить, не упускаем ли мы чего-нибудь в том, как связать начало Вселенной и настоящее время».
С результатами исследования, опубликованными в журнале The Astrophysical Journal, можно ознакомиться здесь.
