Постоянная Хаббла: более точная оценка благодаря телескопу Gaia
Для оценки темпов расширения Вселенной исследователи измеряют космические расстояния с помощью, в частности, звезд, называемых "цефеидами". Благодаря данным со спутника Gaia, команда только частично уменьшила погрешности измерений, связанные с этими "стандартными свечами".
Современная космология столкнулась с настоящим кризисом. Когда астрофизики оценивают нынешние темпы расширения Вселенной по двум разным подходам, они получают несовместимые результаты. Где ошибка? На данный момент вопрос является открытым и вызывает оживленную дискуссию среди специалистов. Проблема может быть экспериментальной, со смещениями в измерениях, или теоретической, с неопределенностью в способах интерпретации измерений. Ставки высоки, потому что решение может поколебать основы модели Большого Взрыва, которая описывает Вселенную с момента ее рождения 13,8 млрд лет назад. Чтобы добиться прогресса в решении этой проблемы, Луиза Брейваль из Леси и Парижской обсерватории и ее коллеги изучали особый тип звезд - цефеиды. Они играют ключевую роль в одном из методов оценки постоянной Хаббла, которая описывает текущую скорость расширения Вселенной.
В 1929 году американские астрономы Эдвин Хаббл и Милтон Хьюмасон обнаружили, что чем дальше от нас галактики, тем быстрее они от нас удаляются. Двумя годами ранее бельгийский теоретик Жорж Лемэтр предвидел это наблюдение, а это означает, что космос расширяется. Эти открытия легли в основу построения модели Большого взрыва в последующие десятилетия. Закон Хаббла-Леметра, связывающий расстояние со скоростью удаления объектов во Вселенной, включает постоянную: постоянную Хаббла. Этот свободный параметр модели Большого взрыва может быть определен только экспериментально.
Чтобы оценить эту константу, первый подход состоит в определении эталонной длины в изначальной Вселенной и в отслеживании ее эволюции во времени до сегодняшнего дня. Точнее, исследователи используют для этого температурные колебания космического фона - первого излучения, испускаемого, когда Вселенной было 380000 лет. Благодаря очень точным данным со спутника Planck, космологи получили значение постоянной Хаббла 67,4 км/с на мегапарсек.
Другой подход состоит в эмпирическом построении закона Хаббла-Леметра, начав сначала с ближнего космоса и заглянув все дальше и дальше в космос. Для измерения скорости мы используем эффект Доплера (сдвиг длины волны света, излучаемого движущимся источником). С другой стороны, оценка космических расстояний более деликатна и требует построения шкалы, основанной на различных методах, зависящих друг от друга. На первом этапе используется параллакс, эффект геометрической природы. При взгляде на объект с двух разных точек зрения (например, две противоположные точки на орбите Земли вокруг Солнца) кажется, что он занимает другое положение относительно фона (считается фиксированным). Исходя из тригонометрических соображений, мы можем вывести из угла этого смещения - параллакса - расстояние до объекта. В настоящее время спутник Gaia Европейского космического агентства проводит очень точную съемку положения и расстояния почти 1,8 миллиарда звезд в Млечном Пути, используя эту технику.
Но чем дальше находится объект, тем меньше его параллакс, и на практике очень сложно точно измерить эту величину за пределами Млечного Пути. Затем "стандартные свечи" вступают в игру. Если мы знаем внутреннюю светимость источника света и наблюдаем его с удаленной точки, измерение его видимой светимости позволяет рассчитать расстояние до него. В астрономии есть такие источники, которые именуются стандартными свечами: цефеиды и сверхновые типа Ia.
Цефеиды - это переменные звезды с массой от 4 до 15 солнечных. В 1912 году американский астроном Генриетта Ливитт показала, что существует связь между их собственной светимостью и периодом колебаний. Однако это соотношение необходимо откалибровать. Поскольку невозможно приблизиться к цефеиде, чтобы измерить ее внутреннюю светимость, вы должны сначала узнать точное расстояние до некоторых из них, чтобы вычислить их внутреннюю светимость. После выполнения этой калибровки соотношение Ливитта позволяет узнать расстояние до всех цефеид. Для калибровки используется метод параллакса на близких цефеидах. Но любая неопределенность на этом этапе отражается в отношении Ливитта и, следовательно, в определении собственной яркости этих звезд.
С помощью телескопов на Земле и в космосе астрофизики наблюдают цефеиды в Млечном Пути, Магеллановых Облаках (из спутниковых галактик Млечного Пути) и близлежащих галактиках. Кроме того, они недостаточно яркие, чтобы их было видно. Затем астрофизики используют еще одну веху - сверхновые типа Ia. Эти события соответствуют взрыву белого карлика. Из-за того, что собственная светимость взрыва очень характерна, сверхновые типа Ia также могут служить стандартными свечами. Но также необходимо откалибровать соотношение яркости и расстояния этих событий. Для этого мы используем цефеиды, присутствующие в ближайших галактиках, где наблюдаются сверхновые. И опять же, неопределенности на предыдущих этапах калибровки связаны с оценкой расстояний сверхновых.
Астрофизик Адам Рисс - специалист по измерению постоянной Хаббла с цефеидами и сверхновыми звездами, работа, за которую он получил Нобелевскую премию по физике в 2011 году. В 2019 году его команда получила значение постоянной Хаббла 74 километра в секунду на мегапарсек. Но это значение несовместимо с полученным из космического реликтового излучения (67,4 километра в секунду на мегапарсек), даже с учетом неопределенностей, оцениваемых для обоих методов. Это источник нынешнего кризиса вокруг константы Хаббла. Какой из двух подходов дает наилучшую оценку? И, что более важно, откуда эта проблема?
Чтобы уменьшить неопределенность калибровки соотношения Ливитта, Луиза Бреваль и ее коллеги использовали данные из второго каталога Gaia. Они использовали точные измерения параллакса для 36 цефеид Млечного Пути и предложили новую калибровку закона Ливитта с уменьшенными неопределенностями.
Затем они получили новую оценку постоянной Хаббла и сравнили ее с оценками команды Адама Рисса. В исследовании 2016 года, основанном на расстоянии 10 цефеид от Млечного Пути, рассчитанном по данным космического телескопа Хаббла, Адам Рисс и его команда получили значение 76,18 километров в секунду на мегапарсек для постоянной Хаббла. С помощью своей новой калибровки Луиза Бреваль и ее коллеги снизили это значение до 72,8 километров в секунду на мегапарсек.
С выходом в начале декабря первой части третьего каталога Gaia, различные команды сейчас пересматривают свою оценку константы Хаббла. Адам Рисс и его команда полагались, в частности, на 75 цефеид из этого нового набора данных. Они обнаружили значение 73,2 километра в секунду за мегапарсек. Но что еще более важно, они уменьшили свои неопределенности до всего лишь 1,3 километра в секунду на мегапарсек.
Эта работа по уменьшению экспериментальных погрешностей, включая калибровку цефеидов, привела к улучшению оценки постоянной Хаббла. "Я с нетерпением жду результатов от команды Венди Фридман и Барри Мадор из Чикагского университета", - сказала Луиза Бреваль. Они используют другой индикатор расстояния, чем цефеиды, определенная популяция красных гигантских звезд. Но вывод, который уже очевиден из новых данных, состоит в том, что конфликт усиливается значением, полученным Планком из космического реликтового фона. Каким будет решение этой сложной проблемы? Остаётся неизвестным.