Одна группа астрофизиков применила метод красного смещения с необычайной точностью, чтобы измерить эту скорость. Удивительно, другая группа, не менее опытных ученых, решила оценить этот же параметр путем изучения реликтового излучения. И вот здесь возникла точка преткновения.
Результаты, полученные двумя группами, кажутся взаимоисключающими. Эта недоразумение настолько путает ученых, что они горячо исследуют возможность поиска новых, надежных методов измерения скорости расширения Вселенной, чтобы согласовать первые два.
Что такое красное смещение и как его измеряют?
Одним из способов измерения скорости расширения Вселенной является анализ красного смещения. Это явление, при котором длина волны электромагнитного излучения для наблюдателя увеличивается относительно длины волны излучения, испущенного источником. Такое изменение происходит из-за того, что источник и наблюдатель движутся друг от друга с некоторой скоростью. Чем больше скорость, тем больше красное смещение.
Красное смещение может быть вызвано тремя причинами: доплеровским эффектом, гравитационным полем и космологическим расширением. Доплеровский эффект связан с относительным движением источника и наблюдателя. Гравитационное красное смещение возникает из-за того, что фотоны теряют энергию при выходе из сильного гравитационного поля. Космологическое красное смещение обусловлено тем, что пространство между галактиками расширяется, и фотоны растягиваются вместе с ним.
Для измерения красного смещения астрономы используют спектроскопию метод анализа электромагнитного излучения по его составляющим частотам или длинам волн. Каждый элемент имеет свой характерный спектр, который можно использовать для его идентификации. Сравнивая спектры удаленных объектов с лабораторными спектрами, можно определить, насколько они сдвинуты в сторону больших длин волн.
Какие объекты используют для измерения скорости расширения Вселенной?
Для измерения скорости расширения Вселенной нужны объекты, которые имеют известную яркость или спектральные особенности. Такие объекты называются стандартными свечами или линейками. Стандартные свечи объекты, чья абсолютная яркость (то есть яркость на определенном расстоянии от наблюдателя) известна или может быть вычислена по некоторым параметрам. Стандартные линейки объекты, чья линейная размерность (то есть размер в пространстве) известна или может быть вычислена по некоторым параметрам.
В качестве стандартных свечей наиболее часто рассматривают сверхновые типа Ia. Это взрывы белых карликов, которые накапливают материю от своих компаньонов и достигают критической массы. Такие взрывы имеют почти одинаковую яркость, которая зависит только от цвета сверхновой. Сверхновые типа Ia могут быть видны на больших расстояниях и позволяют измерять красное смещение до z 1,5 (где z безразмерная величина, характеризующая красное смещение).
Среди стандартных линеек известны акустические осцилляции барионов (АОБ). Это колебания плотности и температуры в ранней Вселенной, вызванные звуковыми волнами в плазме. Эти колебания оставили след в реликтовом излучении равномерном фоновом излучении, возникшем в эпоху рекомбинации водорода. Анализируя неоднородности реликтового излучения, можно определить характерный размер АОБ, который равен примерно 150 мегапарсекам (где парсек единица измерения расстояния в астрономии, равная 3,26 световых года).
Почему возникает несоответствие между разными методами измерения скорости расширения Вселенной?
Скорость расширения Вселенной характеризуется параметром Хаббла. Это отношение скорости удаления галактики от наблюдателя к расстоянию до нее. Параметр Хаббла зависит от времени и от модели Вселенной, которая учитывает ее состав, геометрию и эволюцию. Существуют разные способы оценки параметра Хаббла по наблюдательным данным, но они не дают согласующихся результатов.
Одна группа астрофизиков измеряет параметр Хаббла по методу инфракрасного смещения. Этот метод основан на том, что сверхновые типа Ia имеют разную яркость в разных диапазонах спектра. Измеряя яркость сверхновой в инфракрасном диапазоне, можно уменьшить влияние пыли и других факторов, которые могут искажать результаты. По данным этого метода, параметр Хаббла равен 73,2 1,8 км/с/Мпк (где Мпк мегапарсек).
Другая группа астрофизиков измеряет параметр Хаббла по методу реликтового излучения. Этот метод основан на том, что АОБ оставили отпечаток не только в реликтовом излучении, но и в распределении галактик. Сравнивая эти два сигнала, можно определить параметр Хаббла с учетом модели Вселенной, которая соответствует данным планковского спутника. По данным этого метода, параметр Хаббла равен 67,4 0,5 км/с/Мпк.
Разница между этим значением и значением, полученным по методу инфракрасного смещения, составляет около 9%. Это слишком много, чтобы быть объясненным погрешностями измерений или случайными флуктуациями. Это означает, что: либо один из методов неправильно учитывает какие-то физические эффекты, либо в Вселенной есть нечто, что мы не понимаем.
Какие гипотезы предлагаются для разрешения противоречия?
Существует несколько гипотез, которые пытаются объяснить несоответствие между разными методами измерения скорости расширения Вселенной. Они можно разделить на три группы: систематические ошибки, новая физика и новая космология.
Систематические ошибки возможные искажения результатов из-за недостатков методов или инструментов. Например, может быть, что сверхновые типа Ia не такие стандартные свечи, как мы думаем, и их яркость зависит от других факторов, которые мы не учитываем. Или может быть, что реликтовое излучение содержит дополнительные сигналы от других источников, которые мы не вычитаем. Или может быть, что мы неправильно интерпретируем данные планковского спутника и используем неподходящую модель Вселенной.
Новая физика предположение, что в Вселенной есть неизвестные виды материи или энергии, которые влияют на ее расширение. Например, может быть, что темная энергия не постоянная космологическая постоянная, а динамическая скалярная полевая величина, которая меняется со временем. Или, может быть, во Вселенной есть дополнительные пространственные измерения или гравитационные волны, которые вносят свой вклад в красное смещение.
Новая космология предполагает что Вселенная имеет более сложную структуру или эволюцию, чем мы думаем. Например, может быть, что Вселенная не однородна и изотропна на больших масштабах, а имеет сложную геометрию или топологию. Или может быть, что Вселенная пережила несколько фаз перехода или инфляции в своей истории, которые повлияли на ее расширение.
Какие перспективы решения проблемы?
Проблема скорости расширения Вселенной является одной из самых актуальных и сложных в современной астрофизике. Для ее решения нужны новые данные и новые методы анализа. Ученые работают над разработкой и запуском новых наблюдательных проектов и экспериментов, которые могут дать дополнительную информацию о параметре Хаббла и его изменении со временем.
Одним из таких проектов является Швейцарский эйлеровский телескоп (Swiss EULER Telescope), который находится в Чили. Этот телескоп использует новый метод измерения красного смещения, основанный на наблюдении квазаров. Квазары яркие ядра далеких галактик, которые излучают свет в узких спектральных линиях. Измеряя смещение этих линий, можно определить параметр Хаббла с высокой точностью.
Другим проектом является Новый горизонт космического телескопа (New Horizons Space Telescope), который планируется запустить в 2028 году. Этот телескоп будет наблюдать за реликтовым излучением с более высоким разрешением и чувствительностью, чем планковский спутник. Это позволит уточнить характеристики АОБ и других неоднородностей в ранней Вселенной.
Скорость расширения Вселенной одна из ключевых характеристик космоса, которая определяет его прошлое, настоящее и будущее. Однако разные методы измерения этой величины дают разные результаты, которые не могут быть объяснены в рамках стандартной модели Вселенной. Это ставит перед учеными серьезную задачу: найти истинное значение параметра Хаббла и понять, что стоит за его несоответствием. Для этого нужны новые наблюдения, новые теории и новые эксперименты.
