В последние годы астрономия переживает определенный кризис: хотя мы знаем, что Вселенная расширяется, и хотя примерно знаем, как быстро, два основных способа измерения этого расширения не совпадают. Теперь астрофизики из Института Нильса Бора предлагают новый метод, который может помочь решить это напряжение.
Мы знаем, что Вселенная расширяется еще с тех пор, как Эдвин Хаббл и другие астрономы примерно 100 лет назад измерили скорости ряда окружающих галактик. Галактики во Вселенной «несутся» друг от друга этим расширением и потому удаляются друг от друга.
Чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они раздвигаются, и точная скорость этого движения является одной из наиболее фундаментальных величин в современной космологии. Число, описывающее расширение, называется «постоянная Хаббла», появляясь во множестве различных уравнений и моделей Вселенной и ее составляющих.
Проблема Хаббла
Чтобы понять Вселенную, мы должны как можно точнее знать постоянную Хаббла. Существует несколько способов ее измерения; методы, которые взаимно независимы, но, к счастью, дают почти одинаковый результат. То есть почти…
Интуитивно самый простой метод для понимания — это, в принципе, тот самый, что использовали Эдвин Хаббл и его коллеги столетия назад: найдите группу галактик и измерьте их расстояния и скорости. На практике это делается путем поиска галактик со взрывающимися звездами, так называемых сверхновых. Этот метод дополняется другим методом, анализирующим нерегулярность так называемого космического фонового излучения; древняя форма света, датируемая вскоре после Большого взрыва.
Два метода — метод сверхновых и метод фонового излучения — всегда давали несколько разные результаты. Но любое измерение сопровождается неопределенностью, и несколько лет назад неопределенности были достаточно значительны, чтобы мы могли обвинять их в несоответствии.
Тем не менее, по мере усовершенствования методов измерения неопределенности уменьшились, и теперь мы достигли точки, когда мы можем с высокой степенью уверенности утверждать, что оба не могут быть правильными.
Корень этой «проблемы Хаббла» — то ли это неизвестные эффекты, систематически смещающие один из результатов, то ли это намек на новую физику, которую еще предстоит открыть — сейчас одна из самых горячих тем астрономии.
Разногласие постоянной Хаббла
Расширение Вселенной измеряется в скорости на расстояние и составляет чуть более 20 км/с на миллион световых лет. Это означает, что галактика, расположенная на расстоянии 100 миллионов световых лет, удаляется от нас со скоростью 2000 км/с, а другая галактика, расположенная на расстоянии 200 миллионов световых лет, удаляется со скоростью 4000 км/с.
Однако использование сверхновых для измерения расстояний и скоростей галактик дает 22,7 ± 0,4 км/с, тогда как анализ фонового излучения Вселенной дает 20,7 ± 0,2 км/с.
Это может показаться чувствительным, если волноваться о таком маленьком расхождении, однако оно может быть очень важным. Например, это число появляется при расчете возраста Вселенной, и два метода дают возраст 12,8 и 13,8 миллиарда лет соответственно.
Новый подход к измерению
Одна из самых больших проблем состоит в том, чтобы точно определить расстояние до галактик. Но в новом исследовании Альберт Снеппен, являющийся аспирантом по астрофизике в Центре космического рассвета в Институте Нильса Бора в Копенгагене, предлагает новый метод измерения расстояний, тем самым помогая разрешить текущий спор.
«Когда две сверхкомпактные нейтронные звезды — сами по себе остатки сверхновых — вращаются вокруг друг друга и в конце концов сливаются, они вспыхивают в новом взрыве; так называемая килонова», – объясняет Альберт Снеппен. «Недавно мы продемонстрировали, насколько этот взрыв очень симметричный, и оказалось, что эта симметрия не только красива, но и невероятно полезна».
В только что опубликованном третьем исследовании плодотворный докторант показывает, что килоновые, несмотря на их сложность, можно описать одной температурой. И оказалось, что симметрия и простота килоновых позволяют астрономам определить, сколько света они излучают.
Сравнивая эту яркость с количеством света, достигающего Земли, исследователи могут вычислить, на каком расстоянии находится Килонова. Таким образом, они получили новый независимый метод вычисления расстояния до галактик, содержащих килоновые.
Дарач Уотсон является доцентом Центра космического рассвета и соавтором исследования. Он объясняет: «Новые звезды, которые до сих пор использовались для измерения расстояния до галактик, не всегда излучают одинаковое количество света. Кроме того, они сначала требуют, чтобы мы откалибровали расстояние с помощью другого типа звезд, так называемых цефеид, которые, в свою очередь, также должны быть откалиброваны. С помощью килоновых мы можем обойти эти осложнения, которые вносят неопределенности в измерения».
Предыдущие выводы и дальнейшие шаги
Чтобы продемонстрировать свой потенциал, астрофизики применили метод к килоновой, открытой в 2017 году. Результатом стала постоянная Хаббла, более близкая к методу фонового излучения, но сможет ли метод килоновой решить проблему Хаббла, исследователи пока не решаются утверждать:
«Пока мы имеем только один пример, и нам нужно еще много примеров, прежде чем мы сможем получить надежный результат», – предостерегает Альберт Снеппен. «Но наш метод по крайней мере обходит некоторые известные источники неопределенности и является очень чистой системой для изучения. Он не нуждается ни в калибровке, ни в корректировочном коэффициенте».
