5 апр 2023 2 171

Новое измерение может изменить наше понимание Вселенной

Вселенная расширяется, но насколько быстро? Ответ зависит от того, как вы оцениваете скорость космического расширения (известной как постоянная Хаббла, или H₀) на основе эха Большого взрыва (космического микроволнового фона) или измеряете H₀ непосредственно на основе сегодняшних звезд и галактик. Эта проблема, известная как Хабблово напряжение, путает астрофизиков по всему миру.

Работа исследовательской группы Stellar Standard Candles and Distances, возглавляемой Ричардом Андерсоном из Института физики EPFL, добавляет новую часть в головоломку. Исследователи добились наиболее точной калибровки звезд цефеид для измерений актуального расстояния на основе данных, собранных миссией Gaia Европейского космического агентства (ЕКА). Новая калибровка еще больше усиливает Хабблово напряжение.

Постоянная Хаббла (H₀) названа в честь астрофизика, который вместе с Жоржем Леметром открыл явление в конце 1920-х годов. Он измеряется в километрах в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк), где 1 Мпк составляет около 3,26 миллиона световых лет.

Лучшее прямое измерение H₀ использует «космическую лестницу расстояний», первая ступень которой устанавливается абсолютной калибровкой яркости цефеид, которая теперь перекалибрована исследованием EPFL. В свою очередь, цефеиды калибруют следующую ступень лестницы, где сверхновые — мощные взрывы звезд в конце их жизни — прослеживают расширение самого пространства. Эта лестница расстояний, измеренная сверхновыми, H₀, для команды уравнения состояния темной энергии (SH₀ES) во главе с Адамом Риссом, лауреатом Нобелевской премии по физике 2011 года, ставит H₀ на 73,0 ± 1,0 км / с / Мпк.

Первое излучение после Большого взрыва

H₀ также можно определить, интерпретируя реликтовое излучение, которое является вездесущим микроволновым излучением, оставшимся от Большого взрыва более 13 миллиардов лет назад. Однако этот метод измерения «ранней Вселенной» должен предполагать наиболее подробное физическое понимание того, как развивается Вселенная, что делает ее зависимой от модели. Спутник ЕКА «Планк» предоставил наиболее полные данные о реликтовом излучении, и согласно этому методу, H₀ составляет 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк.

Напряжение Хаббла относится к этому расхождению в 5,6 км/с/ Мпк, в зависимости от того, используется ли метод реликтового излучения (ранняя Вселенная) или метод лестницы расстояний (поздняя Вселенная). При условии, что измерения, выполненные в обоих методах, являются правильными, подразумевается, что в понимании основных физических законов, которые управляют Вселенной, есть что-то неправильное. Естественно, этот важный вопрос подчеркивает, насколько важно, чтобы методы астрофизиков были надежными.

Новое исследование EPFL так важно, потому что оно укрепляет первую ступень лестницы расстояний, улучшая калибровку цефеид в качестве индикаторов расстояния. Действительно, новая калибровка позволяет измерять астрономические расстояния в пределах ± 0,9%, и это дает сильную поддержку поздним измерениям Вселенной. Кроме того, результаты, полученные в EPFL в сотрудничестве с командой SH₀ES, помогли уточнить измерение H₀, что привело к повышению точности и повышению значимости натяжения Хаббла.

Наше исследование подтверждает скорость расширения 73 км / с / Мпк, но, что более важно, оно также обеспечивает наиболее точную и надежную калибровку цефеид в качестве инструментов для измерения расстояний сегодня. Мы разработали метод, который искал цефеиды, принадлежащие к звездным скоплениям, состоящим из нескольких сотен звезд, проверяя, движутся ли звезды вместе через Млечный Путь. Благодаря этому трюку мы смогли воспользоваться лучшими знаниями измерений параллакса Gaia, извлекая выгоду из повышения точности, обеспечиваемого многими звездами-членами скопления. Это позволило довести точность параллаксов Gaia до предела и обеспечивает самую прочную основу, на которой может покоиться лестница расстояний

— Ричард Андерсон.

Переосмысление основных концепций

Почему разница всего в несколько км/с/Мпк имеет значение, учитывая огромные масштабы Вселенной?

Это несоответствие имеет огромное значение. Предположим, вы хотите построить туннель, вкопавшись в две противоположные стороны горы. Если вы правильно поняли тип породы и если ваши расчеты верны, то два туннеля, которые вы копаете, встретятся в центре. Но если они этого не делают, значит вы допустили ошибку — либо ваши расчеты неверны, либо вы ошибаетесь в отношении типа породы. Это то, что происходит с постоянной Хаббла. Чем больше подтверждений, что наши расчеты точны мы получаем, тем увереннее можем заключить, что несоответствие означает: наше понимание Вселенной ошибочно, Вселенная не совсем такая, как мы думали

— Ричард Андерсон.

Несоответствие, о котором говорит ученый, имеет много других последствий и ставит под сомнение сами основы, такие как точная природа темной энергии, пространственно-временной континуум и гравитация. Это означает, что мы должны переосмыслить основные концепции, которые составляют основу общего понимания физики.