19.05.2023. - Насколько быстро Вселенная действительно расширяется

Насколько быстро Вселенная действительно расширяется

Как мы здесь оказались? Куда мы идем? И сколько времени это займет? Эти вопросы так же стары, как само человечество, и, если их уже задавали другие виды в других частях Вселенной, потенциально они намного старше. Это также некоторые из фундаментальных вопросов, на которые мы пытаемся ответить при изучении Вселенной, называемом космологией. Одна из космологических загадок заключается в том, насколько быстро расширяется Вселенная, что измеряется числом, называемым постоянной Хаббла. И вокруг него довольно много напряжения.

В двух новых статьях под руководством моего коллеги Патрика Келли из Университета Миннесоты мы успешно использовали новый метод — использование света от взрывающейся звезды, пришедшего на Землю по множеству извилистых маршрутов через расширяющуюся Вселенную, — для измерения постоянной Хаббла. Статьи опубликованы в журналах Science и The Astrophysical Journal. И если наши результаты не полностью устраняют напряженность, они дают нам еще одну подсказку — и больше вопросов, которые нужно задать.

Мы знали с 1920-х годов, что Вселенная расширяется. Примерно в 1908 году американский астроном Генриетта Ливитт нашла способ измерить внутреннюю яркость звезды, называемой цефеидной переменной, — не то, насколько ярко они выглядят с Земли, что зависит от расстояния и других факторов, а насколько они ярки на самом деле. Цефеиды становятся ярче и тускнеют в регулярном цикле, и Ливитт показал, что внутренняя яркость связана с продолжительностью этого цикла.

Закон Ливитта, как его теперь называют, позволяет ученым использовать цефеиды в качестве «стандартных свечей»: объекты, внутренняя яркость которых известна и, следовательно, расстояние до которых можно рассчитать.

Как это работает? Представьте, что сейчас ночь, и вы стоите на длинной темной улице с несколькими фонарными столбами вдоль дороги. Теперь представьте, что на каждом фонарном столбе установлены лампочки одного типа и одинаковой мощности. Вы заметите, что отдаленные объекты кажутся тусклее ближайших.

Мы знаем, что свет тускнеет пропорционально его расстоянию, что называется законом обратных квадратов для света. Теперь, если вы можете измерить, насколько ярким вам кажется каждый источник света, и если вы уже знаете, насколько ярким он должен быть, вы сможете вычислить, как далеко находится каждый световой столб.

В 1929 году другой астроном из США, Эдвин Хаббл, смог найти некоторое количество этих звезд-цефеид в других галактиках и измерить расстояние до них — и по этим расстояниям и другим измерениям он смог определить, что Вселенная расширяется.

Этот стандартный метод свечи является мощным, позволяя нам измерять огромную вселенную. Мы всегда ищем разные свечи, которые можно лучше измерить и увидеть на гораздо большем расстоянии.

Некоторые недавние попытки измерить Вселенную дальше от Земли, такие как проект SH0ES, в котором я участвовал, под руководством лауреата Нобелевской премии Адама Рисса, использовали цефеиды вместе с типом взрывающейся звезды, называемой сверхновой типа Ia, которую также можно использовать в качестве стандартная свеча.

Существуют и другие методы измерения постоянной Хаббла, например, использующий космический микроволновый фон — реликтовый свет или излучение, которое начало распространяться по Вселенной вскоре после Большого взрыва.

Проблема в том, что эти два измерения, одно рядом с использованием сверхновых и цефеид, а другое намного дальше с использованием микроволнового фона, различаются почти на 10%. Астрономы называют эту разницу напряжением Хаббла и ищут новые методы измерения, чтобы разрешить ее.

В нашей новой работе мы успешно использовали новый метод измерения скорости расширения Вселенной. Работа основана на сверхновой под названием Сверхновая Рефсдал.

В 2014 году наша команда обнаружила несколько изображений одной и той же сверхновой — впервые наблюдалась такая «линзовая» сверхновая. Вместо того, чтобы космический телескоп Хаббл увидел одну сверхновую, мы увидели пять!

Как это произошло? Свет от сверхновой распространялся во всех направлениях, но он путешествовал через пространство, искривленное огромными гравитационными полями огромного скопления галактик, которые искривили часть пути света таким образом, что он пришел на Землю несколькими путями. . Каждое появление сверхновой достигало нас разными путями во Вселенной.

Представьте, что с одной станции одновременно отправляются три поезда. Однако один идет прямо до следующей станции, другой совершает дальний путь через горы, а третий – по побережью. Все они отправляются и прибывают на одни и те же станции, но совершают разные поездки, поэтому, отправляясь в одно и то же время, они прибудут в разное время.

Таким образом, наши изображения с линзами показывают одну и ту же сверхновую, которая взорвалась в определенный момент времени, но каждое изображение прошло свой путь. Наблюдая за прибытием на Землю каждого появления сверхновой звезды — одно из них произошло в 2015 году, когда взорвавшуюся звезду уже заметили, — мы смогли измерить время их движения и, следовательно, насколько выросла Вселенная, пока изображение был в пути.

Это дало нам другое, но уникальное измерение роста Вселенной. В статьях мы находим, что это измерение ближе к измерению космического микроволнового фона, а не к измерению ближайших цефеид и сверхновых. Однако, исходя из его местоположения, он должен быть ближе к измерениям цефеид и сверхновых.

Хотя это вовсе не разрешает дискуссию, это дает нам еще одну подсказку, на которую стоит обратить внимание. Может быть проблема со значением сверхновой, или с нашим пониманием скоплений галактик и моделей, применяемых для линзирования, или с чем-то совершенно другим. Как дети в задней части автомобиля в поездке, спрашивая «мы уже там», мы все еще не знаем.

Источник