В космологии существует важное и нерешённое противоречие относительно скорости расширения Вселенной. Разрешение этого вопроса может открыть новую физику. Астрономы постоянно ищут новые способы измерения этого расширения на случай, если в данных от обычных маркеров, таких как сверхновые, могут быть неизвестные ошибки.
Недавно исследователи, включая группу из Токийского университета, измерили расширение Вселенной, используя новые методы и данные с новейших телескопов. Их метод использует то, как свет от чрезвычайно далёких объектов проходит несколько путей, чтобы достичь нас. Различия в этих путях помогают улучшить модели того, что происходит на крупнейших космологических масштабах, включая расширение.
Работа опубликована в Astronomy & Astrophysics.
Вселенная огромна, и она становится ещё больше. Насколько она велика? Мы точно не знаем. Но мы знаем, как быстро она расширяется. Однако это не простой вопрос, поскольку расширение кажется более быстрым, чем дальше мы наблюдаем. На каждые 3,3 миллиона световых лет (или один мегапарсек) расстояния от нас мы видим, что объекты на этом расстоянии удаляются от нас со скоростью, кратной примерно 73 километрам в секунду. Другими словами, скорость расширения Вселенной составляет 73 километра в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк), также известная как постоянная Хаббла.
Существуют разные способы определения постоянной Хаббла, но до сих пор все они основывались на так называемых лестницах расстояний. Это такие объекты, как сверхновые или особые звёзды, называемые переменными звёздами цефеид, которые, как считается, достаточно хорошо изучены, чтобы их присутствие даже в других галактиках могло дать нам точные измерения о них, включая их расстояния.
Наблюдая за достаточным количеством таких объектов в течение десятилетий, постоянную Хаббла всё больше ограничивали. Но всегда существовала доля сомнения в этом методе, поэтому космологи приветствуют улучшения.
В своей последней статье группа астрономов, включая доцента Кеннета Вонга и постдокторанта Эрика Паика из Исследовательского центра ранней Вселенной Токийского университета, успешно продемонстрировала метод, известный как космография с учётом задержки по времени, который, по их мнению, может снизить зависимость от лестниц расстояний и должен обеспечить новые возможности в других областях космологии.
«Чтобы измерить постоянную Хаббла с помощью космографии с учётом задержки по времени, вам нужна действительно массивная галактика, которая может действовать как линза», — сказал Вонг. «Гравитация этой «линзы» отклоняет свет от объектов, скрывающихся за ней, вокруг себя, поэтому мы видим искажённую их версию. Это называется гравитационным линзированием. Если обстоятельства благоприятны, мы увидим несколько искажённых изображений, и каждое из них пройдёт немного другой путь, чтобы добраться до нас, затратив разное количество времени».
«Ища идентичные изменения в этих изображениях, которые немного не совпадают, мы можем измерить разницу во времени, которое потребовалось им, чтобы достичь нас. В сочетании с оценками распределения массы галактической линзы, которая их искажает, это позволяет нам более точно рассчитать ускорение удалённых объектов. Измеренная нами постоянная Хаббла хорошо согласуется с диапазонами, поддерживаемыми другими способами оценки».
Исследователи идут на такие усилия, чтобы найти число, которое они уже знают, из-за чего-то критически важного для понимания истории Вселенной, которая в настоящее время остаётся нерешённой. Это значение постоянной Хаббла в 73 км/с/Мпк верно на основе наблюдений за близлежащими объектами, но существуют и другие способы измерения скорости космического расширения, которые также могут смотреть на данные из далёкого прошлого, в частности, на излучение, пронизывающее Вселенную в результате Большого взрыва, известное как космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ).
Когда исследователи используют КМФИ для расчёта постоянной Хаббла, они получают более низкое значение в 67 км/с/Мпк. Это несоответствие называется напряжением Хаббла, и работа Вонга, Паика и их коллег помогает прояснить его природу, поскольку всё ещё существуют сомнения относительно того, может ли оно быть чем-то большим, чем результатом экспериментальной ошибки.
«Наше измерение постоянной Хаббла более согласуется с другими наблюдениями современности и менее согласуется с измерениями ранней Вселенной. Это свидетельствует о том, что напряжение Хаббла действительно может быть вызвано реальной физикой, а не просто неизвестным источником ошибки в различных методах», — сказал Вонг. «Наше измерение полностью независимо от других методов, как ранних, так и поздних, поэтому, если в них есть какие-либо систематические неопределённости, они не должны влиять на нас».
«Основная цель этой работы заключалась в улучшении нашей методологии, и теперь нам нужно увеличить размер выборки, чтобы повысить точность и окончательно разрешить напряжение Хаббла», — сказал Паик. «Сейчас наша точность составляет около 4,5%, и чтобы действительно точно определить постоянную Хаббла до уровня, который окончательно подтвердил бы напряжение Хаббла, нам нужно достичь точности около 1–2%».
Команда уверена, что такие достижения в точности возможны. В текущем исследовании использовались восемь систем с временной задержкой, каждая из которых заслоняла далёкий квазар (сверхмассивную чёрную дыру, которая аккумулирует газ и пыль, заставляя её ярко светиться), и новые данные с новейших космических и наземных телескопов, включая космический телескоп Джеймса Уэбба. Команда намерена увеличить размер выборки, а также улучшить различные другие измерения и исключить любые систематические ошибки, которые ещё не учтены.
«Одним из крупнейших источников неопределённости является тот факт, что мы не знаем точно, как распределена масса в галактиках-линзах. Обычно предполагается, что масса следует какому-то простому профилю, который согласуется с наблюдениями, но в этом трудно быть уверенным, и эта неопределённость может напрямую влиять на значения, которые мы вычисляем», — сказал Вонг.
«Напряжение Хаббла имеет значение, поскольку оно может указывать на новую эру в космологии, раскрывающую новую физику. Наш проект — результат многолетнего сотрудничества между несколькими независимыми обсерваториями и исследователями, что подчёркивает важность международного сотрудничества в науке».
Предоставлено Токийским университетом.