Вселенная по-прежнему хранит в себе множество загадок, и одна из самых интригующих касается скорости ее расширения. В течение многих лет астрономы спорили об этой фундаментальной величине, количественно выражаемой постоянной Хаббла.
Недавнее исследование, проведенное Венди Фридман и ее коллегами из Чикагского университета в рамках Чикагско-Кэнергийской программы Хаббла (CCHP), пролило новый свет на этот вопрос, используя данные космического телескопа «Джеймс Уэбб». Исследование позволяет предположить, что так называемого «хаббловской напряжённости» — кажущегося расхождения между оценками скорости космического расширения, полученными разными методами измерений, — может и не существовать.
Используя три независимых метода для анализа данных по 10 соседним галактикам, команда вычислила значение H0 (Закон Хаббла), равное 69,96 км/с/Мпк (км в секунду на мегапарсек). То есть на каждый мегапарсек (один миллион парсеков, или 3,26 миллиона световых лет)
Вселенная расширяется на 69,96 км каждую секунду.
Этот результат особенно важен, потому что он находится где-то между предыдущими оценками, потенциально позволяя примирить расхождения, которые разжигали дебаты о напряженности Хаббла. Если он подтвердится, это может свидетельствовать о том, что наша стандартная космологическая модель более надежна, чем опасались некоторые ученые, и обеспечит прочную основу для нашего понимания эволюции Вселенной.
Происхождение и последствия хаббловского напряжения
Под хаббловским напряжением понимается расхождение между двумя основными методами измерения постоянной Хаббла.
- Первый метод основан на наблюдении космического микроволнового фонового излучения (CMB), остатка Большого взрыва. Расчетное значение H0, выполненное миссией Planck Европейского космического агентства (ESA) в 2013 году, составляет около 67,4 км/с/Мпк. Если стандартная космологическая модель верна, этот метод должен иметь точность в пределах 1%.
- Второй метод использует прямые наблюдения за звездами, такими как переменные звезды Цефеиды, и близлежащими галактиками. Например, с помощью космического телескопа «Хаббл» и измерения света от выборки сверхновых типа Ia, которые имеют стандартизированную максимальную светимость, были найдены более высокие значения постоянной Хаббла — около 73-74 км/с/Мпк. Это означает, что Вселенная расширяется быстрее, чем предсказывает стандартная космологическая модель.
Значение текущей скорости расширения Вселенной, известное как постоянная Хаббла, по-видимому, зависит от способа ее измерения. Наблюдения за ранней Вселенной дают более низкие значения (серый цвет), чем те, которые измеряются с помощью близлежащих объектов (синий цвет). Исследования красных гигантских звезд дают значение постоянной Хаббла, которое лежит точно посередине (красный).
Это несоответствие подняло фундаментальные вопросы о нашем понимании Вселенной. Если бы оно было реальным, это могло бы указать на необходимость пересмотра стандартной космологической модели, а возможно, и на существование новой физики за пределами наших текущих моделей.
Новые независимые измерения с помощью «Уэбба»
Команда CCHP использовала три независимых метода для анализа данных JWST:
1. Переменные звезды Цефеиды. Эти звезды пульсируют с регулярностью, которая позволяет использовать их в качестве «стандартных свечей» для измерения космических расстояний.
2. «Ветвь красных гигантов». Этот метод использует максимальную светимость, достигаемую звездами, которые в конце своей жизни превращаются в красных гигантов, как и Солнце.
3. Асимптотическая гигантская ветвь J-региона. Этот новый метод предполагает использование типа красных гигантских звезд, богатых углеродом и обладающих сходной собственной инфракрасной светимостью.
Метод Цефеид дал значение H0 72,04 км/с/Мпк. Для эволюционировавших красных гигантов это значение составляет 69,85 км/с/Мпк. Для богатых углеродом красных гигантов — 67,96 км/с/Мпк.
Изображения звезд в галактиках, наблюдаемых аппаратом «Джеймс Уэбб» в рамках данного исследования.
А что, если расхождений нет?
Результаты этого исследования имеют значительные последствия для космологии. Они приводят к двум важным соображениям.
Во-первых, среднее значение, полученное тремя независимыми методами, составляет 69,96 км/с/Мпк, что согласуется со стандартной космологической моделью. Это означает, что согласно результатам, полученным этими независимыми методами, не существует убедительных доказательств наличия хаббловского напряжения.
Если это подтвердится, то это будет означать, что наша стандартная модель Вселенной действительно может быть верной, устраняя необходимость в предположении новой физики или радикальных изменениях в нашем понимании космической эволюции.
Однако измерения переменных Цефеид, со своей стороны, продолжают усиливать напряженность. Оценка, полученная этим методом, фактически не согласуется с другими измерениями (в пределах неопределенности), как это было в прошлом, даже при использовании сверхновых типа Ia в качестве «стандартных свечей».
В связи с этим авторы исследования подчеркивают необходимость дальнейших наблюдений и анализа и намерены сосредоточить последующие измерения именно на переменных Цефеидах.
