Космологи всего мира сталкиваются с фундаментальной неразрешимой головоломкой: они не приходят к единому мнению относительно скорости расширения Вселенной. Разгадка этой загадки может указать на существование совершенно новых физических законов. Чтобы исключить скрытые погрешности в традиционных измерениях, которые опираются на такие маркеры, как сверхновые звезды, астрономы неустанно ищут свежие методы отслеживания расширения космоса.
В недавно опубликованной работе исследователи, включая ученых из Токийского университета, измерили темпы роста Вселенной, используя новые методики и данные самых передовых телескопов. Их подход основан на том факте, что свет от чрезвычайно удаленных объектов может достигать нас по нескольким различным путям. Сравнение этих разных траекторий помогает уточнить модели происходящего в самых больших масштабах во Вселенной, включая само растяжение пространства.
Насколько же быстро расширяется Вселенная? Известно, что космос огромен и неуклонно увеличивается в размерах. Его точный размер неизвестен, но темпы расширения поддаются измерению. Это оказывается сложнее, чем кажется, поскольку расширение проявляется быстрее, когда мы смотрим на более удаленные области пространства. На каждые 3,3 миллиона световых лет (один мегапарсек) расстояния от Земли объекты, находящиеся на этом расстоянии, кажутся удаляющимися от нас со скоростью примерно 73 километра в секунду. Иными словами, Вселенная расширяется со скоростью 73 километра в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк) – это значение известно как постоянная Хаббла.
Ученые разработали несколько методов для оценки постоянной Хаббла, но до сих пор все они полагались на так называемые «лестницы расстояний». Эти «лестницы» строятся на основе таких объектов, как сверхновые звезды, и особых звезд – цефеид. Поскольку эти объекты считаются хорошо изученными, астрономы предполагают, что даже при наблюдении в других галактиках их можно использовать для высокоточного определения расстояний. За десятилетия наблюдений многих таких объектов допустимый диапазон для постоянной Хаббла сузился. Однако некоторая неопределенность относительно надежности этого подхода всегда сохранялась, поэтому космологи активно ищут альтернативы.
В своем последнем исследовании команда астрономов, в которую входят доцент проекта Кеннет Вонг и постдокторант Эрик Пайч из Исследовательского центра ранней Вселенной при Токийском университете, успешно продемонстрировала новую методику, называемую космографией с временной задержкой. Они утверждают, что этот метод может уменьшить зависимость данной области исследований от «лестниц расстояний», а также найти ценное применение в других разделах космологии.
«Чтобы измерить постоянную Хаббла с помощью космографии с временной задержкой, необходима действительно массивная галактика, способная действовать как линза», – поясняет Вонг. – «Гравитация этой «линзы» отклоняет свет от скрывающихся за ней объектов вокруг себя, поэтому мы видим их в искаженном виде. Это явление называется гравитационным линзированием. Если условия подходящие, мы фактически увидим несколько искаженных изображений, и каждое из них пройдет немного отличающийся путь до нас, затратив разное количество времени. Ища идентичные изменения в этих изображениях, которые немного отстают друг от друга, мы можем измерить разницу во времени, которое им потребовалось, чтобы достичь нас. Сопоставление этих данных с оценками распределения массы галактической линзы, которая их искажает, позволяет нам более точно рассчитать ускорение удаленных объектов. Измеренная нами постоянная Хаббла находится в пределах, подтверждаемых другими способами оценки».
Может показаться странным, что исследователи вкладывают столько усилий в уточнение числа, которое уже многократно измерялось. Причина в том, что это значение лежит в основе того, как ученые реконструируют историю и эволюцию Вселенной, и здесь существует серьезное неразрешенное расхождение. Значение в 73 км/с/Мпк для постоянной Хаббла согласуется с наблюдениями относительно близких объектов. Однако существуют другие способы определения скорости космического расширения, которые заглядывают гораздо дальше во времени. Один из ключевых методов использует излучение, заполняющее Вселенную и восходящее к Большому взрыву, известное как космический микроволновый фон (CMB). Когда ученые анализируют CMB для оценки постоянной Хаббла, они получают более низкое значение – 67 км/с/Мпк. Это несоответствие между 73 км/с/Мпк и 67 км/с/Мпк называется «напряжением Хаббла».
Работа Вонга, Пайча и их коллег помогает прояснить, что может быть причиной этого «напряжения», в то время как до сих пор неясно, является ли расхождение просто следствием экспериментальных неопределенностей или указывает на нечто более глубокое. «Наше измерение постоянной Хаббла больше согласуется с другими современными наблюдениями и меньше – с измерениями, относящимися к ранней Вселенной. Это является свидетельством того, что «напряжение Хаббла» действительно может возникать из-за реальной физики, а не просто из-за какого-то неизвестного источника ошибок в различных методах», – заявляет Вонг. – «Наш метод полностью независим от других, будь то ранне- или позднекосмические методы, поэтому, если в них есть какие-либо систематические неопределенности, они не должны влиять на нас».
«Основное внимание этой работы было уделено улучшению нашей методологии, и теперь нам необходимо увеличить размер выборки, чтобы повысить точность и окончательно разрешить «напряжение Хаббла»», – добавляет Пайч. – «Прямо сейчас наша точность составляет около 4,5%, и чтобы действительно свести постоянную Хаббла к уровню, который окончательно подтвердит «напряжение Хаббла», нам нужно достичь точности около 1–2%».
Исследователи с оптимизмом смотрят на возможность достижения такого высокого уровня точности. В текущем исследовании они проанализировали восемь систем линз с временной задержкой. Каждая система содержит галактику на переднем плане, которая действует как линза и блокирует наш прямой обзор удаленного квазара – сверхмассивной черной дыры, аккрецирующей газ и пыль, что заставляет ее ярко светиться. Ученые также использовали новые наблюдения с передовых космических и наземных обсерваторий, включая космический телескоп James Webb. В будущем команда планирует расширить количество изучаемых систем линз, уточнить измерения и тщательно выявить или устранить любые оставшиеся систематические источники ошибок.
«Одним из самых больших источников неопределенности является тот факт, что мы не знаем точно, как распределена масса в галактиках-линзах. Обычно предполагается, что масса следует некоторому простому профилю, соответствующему наблюдениям, но трудно быть в этом уверенным, и эта неопределенность может напрямую влиять на расчетные значения», – отмечает Вонг. – ««Напряжение Хаббла» имеет значение, поскольку оно может указывать на новую эру в космологии, раскрывая новую физику. Наш проект является результатом десятилетнего сотрудничества между множеством независимых обсерваторий и исследователей, подчеркивая важность международного научного взаимодействия».
Эта работа была поддержана NASA (гранты 80NSSC22K1294 и HST-AR-16149), Обществом Макса Планка (Max Planck Fellowship), Немецким научно-исследовательским фондом в рамках Стратегии превосходства Германии (EXC-2094, 390783311), Национальным научным фондом США (гранты NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), Фондом Мура (грант 8548) и JSPS KAKENHI (гранты JP20K14511, JP24K07089, JP24H00221).
