Останніми роками астрономія переживає певну кризу: хоча ми знаємо, що Всесвіт розширюється, і хоча приблизно знаємо, як швидко, два основні способи вимірювання цього розширення не збігаються. Тепер астрофізики з Інституту Нільса Бора пропонують новий метод, який може допомогти вирішити цю напругу.
Ми знаємо, що Всесвіт розширюється, ще з тих пір, як Едвін Хаббл та інші астрономи приблизно 100 років тому виміряли швидкості низки навколишніх галактик. Галактики у Всесвіті «несуться» одна від одної цим розширенням і тому віддаляються одна від одної.
Чим більша відстань між двома галактиками, тим швидше вони розсуваються, і точна швидкість цього руху є однією з найбільш фундаментальних величин у сучасній космології. Число, яке описує розширення, має назву «постійна Хаббла», з’являючись у безлічі різних рівнянь і моделей Всесвіту та його складових.
Проблема Хаббла
Щоб зрозуміти Всесвіт, ми повинні якомога точніше знати постійну Хаббла. Існує кілька методів її вимірювання; методи, які є взаємно незалежними, але, на щастя, дають майже однаковий результат. Тобто майже…
Інтуїтивно найпростіший метод для розуміння — це, в принципі, той самий, який використовували Едвін Хаббл і його колеги століття тому: знайдіть групу галактик і виміряйте їхні відстані та швидкості. На практиці це робиться шляхом пошуку галактик із вибухаючими зірками, так званих наднових. Цей метод доповнюється іншим методом, який аналізує нерегулярності так званого космічного фонового випромінювання; стародавня форма світла, що датується незабаром після Великого вибуху.
Два методи — метод наднових і метод фонового випромінювання — завжди давали дещо різні результати. Але будь-яке вимірювання супроводжується невизначеністю, і кілька років тому невизначеності були достатньо значними, щоб ми могли звинувачувати їх у невідповідності.
Тим не менш, у міру вдосконалення методів вимірювання невизначеності зменшилися, і тепер ми досягли точки, коли ми можемо з високим ступенем упевненості стверджувати, що обидва не можуть бути правильними.
Корінь цієї «проблеми Хаббла» — чи це невідомі ефекти, які систематично зміщують один із результатів, чи це натяк на нову фізику, яку ще належить відкрити — зараз є однією з найгарячіших тем астрономії.
Розбіжність постійної Хаббла
Розширення Всесвіту вимірюється у «швидкості на відстань» і становить трохи більше 20 км/с на мільйон світлових років. Це означає, що галактика, розташована на відстані 100 мільйонів світлових років, віддаляється від нас зі швидкістю 2000 км/с, а інша галактика, розташована на відстані 200 мільйонів світлових років, віддаляється зі швидкістю 4000 км/с.
Однак використання наднових для вимірювання відстаней і швидкостей галактик дає 22,7 ± 0,4 км/с, тоді як аналіз фонового випромінювання Всесвіту дає 20,7 ± 0,2 км/с.
Це може здатися дошкульним, якщо хвилюватися про таку маленьку розбіжність, однак вона може бути дуже важливою. Наприклад, це число з’являється при розрахунку віку Всесвіту, і два методи дають вік 12,8 і 13,8 мільярдів років відповідно.
Новий підхід до вимірювання
Одна з найбільших проблем полягає в тому, щоб точно визначити відстань до галактик. Але в новому дослідженні Альберт Снеппен, який є аспірантом з астрофізики в Центрі космічного світанку в Інституті Нільса Бора в Копенгагені, пропонує новий метод вимірювання відстаней, тим самим допомагаючи вирішити поточну суперечку.
«Коли дві надкомпактні нейтронні зірки — які самі по собі є залишками наднових — обертаються навколо одна одної і зрештою зливаються, вони спалахують у новому вибуху; так звана кілонова», – пояснює Альберт Снеппен. «Нещодавно ми продемонстрували, наскільки цей вибух надзвичайно симетричний, і виявилося, що ця симетрія не тільки красива, але й неймовірно корисна».
У третьому дослідженні, яке щойно було опубліковано, плідний докторант показує, що кілонові, незважаючи на їх складність, можна описати однією температурою. І виявилося, що симетрія та простота кілонових дозволяють астрономам визначити, скільки світла вони випромінюють.
Порівнюючи цю яскравість із кількістю світла, що досягає Землі, дослідники можуть обчислити, на якій відстані знаходиться Кілонова. Таким чином вони отримали новий незалежний метод обчислення відстані до галактик, що містять кілонові.
Дарач Уотсон є доцентом Центру космічного світанку та співавтором дослідження. Він пояснює: «Наднові зірки, які досі використовувалися для вимірювання відстані до галактик, не завжди випромінюють однакову кількість світла. Крім того, вони спочатку вимагають, щоб ми відкалібрували відстань за допомогою іншого типу зірок, так званих цефеїд, які, у свою чергу, також повинні бути відкалібровані. За допомогою кілонових ми можемо обійти ці ускладнення, які вносять невизначеності у вимірювання».
Попередні висновки та подальші кроки
Щоб продемонструвати свій потенціал, астрофізики застосували метод до кілонової, відкритої в 2017 році. Результатом стала постійна Хаббла, ближча до методу фонового випромінювання, але чи зможе метод кілонової вирішити проблему Хаббла, дослідники поки не наважуються стверджувати:
«Поки що ми маємо лише один приклад, і нам потрібно ще багато прикладів, перш ніж ми зможемо отримати надійний результат», – застерігає Альберт Снеппен. «Але наш метод принаймні обходить деякі відомі джерела невизначеності та є дуже «чистою» системою для вивчення. Він не потребує ні калібрування, ні коригувального коефіцієнта».
