Скорость расширения вселенной: Астрономы подсчитали скорость расширения Вселенной как никогда точно

Астрономы уточнили скорость расширения Вселенной

https://ria.ru/20210309/vselennaya-1600472715.html

Астрономы уточнили скорость расширения Вселенной

Астрономы уточнили скорость расширения Вселенной — РИА Новости, 09.03.2021

Астрономы уточнили скорость расширения Вселенной

Используя новый метод оценки космических расстояний на основе измерения средней яркости звезд в гигантских эллиптических галактиках, астрономы получили… РИА Новости, 09.03.2021

2021-03-09T15:09

2021-03-09T15:09

2021-03-09T15:40

наука

астрономия

хаббл

космос — риа наука

вселенная

астрофизика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/03/09/1600471819_0:158:720:563_1920x0_80_0_0_71673e8f5b7a72cf8a428234db47bff9.jpg

МОСКВА, 9 мар — РИА Новости. Используя новый метод оценки космических расстояний на основе измерения средней яркости звезд в гигантских эллиптических галактиках, астрономы получили уточненное значение скорости расширения локальной Вселенной. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.Скорость расширения Вселенной — один из ключевых параметров космологии. С увеличением расстояния от Земли она возрастает благодаря действию темной энергии, природа которой до сих пор остается загадкой. Коэффициент, который связывает расстояние до любого внегалактического объекта со скоростью его удаления, называется постоянной Хаббла, или H0. По своей физической сути это локальное ускорение, выраженное в километрах в секунду на мегапарсек.Постоянная Хаббла входит в базовые уравнения космологии, описывающие эволюцию Вселенной, но проблема заключается в том, что измерения, произведенные разными методами, дают различные значения этой величины.Традиционно ученые используют для оценки скорости расширения Вселенной два метода расчета: первый базируется на реликтовом излучении, второй — на случайном появлении сверхновых в удаленных галактиках. Согласно первому методу, величина H0 примерно равна 67,4, а по второму — 74. Естественно, астрономы обеспокоены этим несоответствием и постоянно ищут новые способы измерения постоянной Хаббла. Новое значение H0 появилось как побочный продукт обзора близлежащих галактик MASSIVE, в котором ученые используют космические и наземные телескопы для детального изучения 100 самых массивных галактик в пределах примерно 100 мегапарсеков, или 330 миллионов световых лет от Земли.Чтобы получить H0, ученые проекта MASSIVE измерили флуктуации поверхностной яркости 63 гигантских эллиптических галактик и определили расстояние до каждой из них в зависимости от их скорости. Авторы отмечают, что достоинство метода флуктуации поверхностной яркости (SBF) в том, что он не зависит от других параметров или способов наблюдения и может обеспечить более точные оценки расстояний, чем другие методы.»Для измерения расстояний до галактик, удаленных до 100 мегапарсеков, это фантастический метод, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Беркли слова руководителя исследования, профессора астрономии и физики Ма Чун-Пэй (Chung-Pei Ma). — Это первая работа, которая собирает большой однородный набор данных по 63 галактикам для изучения H0 с помощью метода SBF». Методика, использующая флуктуации поверхностной яркости, — одна из новейших. Она основана на том факте, что гигантские эллиптические галактики — очень древние, имеют постоянную популяцию старых звезд, в основном красных гигантов. С помощью широкоугольной камеры на космическом телескопе «Хаббл» исследователи получили инфракрасные изображения каждой галактики в высоком разрешении и рассчитали, насколько яркость каждого пикселя изображения отличается от средней инфракрасной яркости по всей галактике. Известно, что чем плавнее колебания по всему изображению, тем дальше от нас находится галактика. После внесения поправок на такие дефекты, как яркие области звездообразования, авторы получили расстояния до каждого из 63 объектов.В прошлом году ученые из группы MASSIVE уже опробовали этот метод для определения расстояния до гигантской эллиптической галактики NGC 1453 в южном созвездии Эридана. Результаты нового исследования позволили рассчитать «местное» значение постоянной Хаббла для большого количества галактик. Оно составило 73,3 километра в секунду на мегапарсек, что очень близко к результатам оценки по сверхновым типа Ia — методу, который в космологии считают золотым стандартом. Это означает, что на каждый мегапарсек — 3,3 миллиона световых лет, или три миллиарда триллионов километров — Вселенная расширяется на 73,3 километра в секунду.

https://ria.ru/20210308/kvazar-1600097498.html

https://ria.ru/20210305/ekzoplaneta-1600058901.html

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4. 7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/03/09/1600471819_0:90:720:630_1920x0_80_0_0_e37b480f910f58f40c05890b17f36a19.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

астрономия, хаббл, космос — риа наука, вселенная, астрофизика

Наука, Астрономия, Хаббл, Космос — РИА Наука, Вселенная, астрофизика

МОСКВА, 9 мар — РИА Новости. Используя новый метод оценки космических расстояний на основе измерения средней яркости звезд в гигантских эллиптических галактиках, астрономы получили уточненное значение скорости расширения локальной Вселенной. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

Скорость расширения Вселенной — один из ключевых параметров космологии. С увеличением расстояния от Земли она возрастает благодаря действию темной энергии, природа которой до сих пор остается загадкой. Коэффициент, который связывает расстояние до любого внегалактического объекта со скоростью его удаления, называется постоянной Хаббла, или H0. По своей физической сути это локальное ускорение, выраженное в километрах в секунду на мегапарсек.

Постоянная Хаббла входит в базовые уравнения космологии, описывающие эволюцию Вселенной, но проблема заключается в том, что измерения, произведенные разными методами, дают различные значения этой величины.

Традиционно ученые используют для оценки скорости расширения Вселенной два метода расчета: первый базируется на реликтовом излучении, второй — на случайном появлении сверхновых в удаленных галактиках. Согласно первому методу, величина H0 примерно равна 67,4, а по второму — 74. Естественно, астрономы обеспокоены этим несоответствием и постоянно ищут новые способы измерения постоянной Хаббла.

Новое значение H0 появилось как побочный продукт обзора близлежащих галактик MASSIVE, в котором ученые используют космические и наземные телескопы для детального изучения 100 самых массивных галактик в пределах примерно 100 мегапарсеков, или 330 миллионов световых лет от Земли.

8 марта 2021, 16:00Наука

Открыт самый далекий квазар с мощными радиоджетами

Чтобы получить H0, ученые проекта MASSIVE измерили флуктуации поверхностной яркости 63 гигантских эллиптических галактик и определили расстояние до каждой из них в зависимости от их скорости. Авторы отмечают, что достоинство метода флуктуации поверхностной яркости (SBF) в том, что он не зависит от других параметров или способов наблюдения и может обеспечить более точные оценки расстояний, чем другие методы.

«Для измерения расстояний до галактик, удаленных до 100 мегапарсеков, это фантастический метод, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Беркли слова руководителя исследования, профессора астрономии и физики Ма Чун-Пэй (Chung-Pei Ma). — Это первая работа, которая собирает большой однородный набор данных по 63 галактикам для изучения H0 с помощью метода SBF».

Методика, использующая флуктуации поверхностной яркости, — одна из новейших. Она основана на том факте, что гигантские эллиптические галактики — очень древние, имеют постоянную популяцию старых звезд, в основном красных гигантов. С помощью широкоугольной камеры на космическом телескопе «Хаббл» исследователи получили инфракрасные изображения каждой галактики в высоком разрешении и рассчитали, насколько яркость каждого пикселя изображения отличается от средней инфракрасной яркости по всей галактике. Известно, что чем плавнее колебания по всему изображению, тем дальше от нас находится галактика. После внесения поправок на такие дефекты, как яркие области звездообразования, авторы получили расстояния до каждого из 63 объектов.

В прошлом году ученые из группы MASSIVE уже опробовали этот метод для определения расстояния до гигантской эллиптической галактики NGC 1453 в южном созвездии Эридана. Результаты нового исследования позволили рассчитать «местное» значение постоянной Хаббла для большого количества галактик.

Оно составило 73,3 километра в секунду на мегапарсек, что очень близко к результатам оценки по сверхновым типа Ia — методу, который в космологии считают золотым стандартом. Это означает, что на каждый мегапарсек — 3,3 миллиона световых лет, или три миллиарда триллионов километров — Вселенная расширяется на 73,3 километра в секунду.

5 марта 2021, 12:48Наука

Астрономы впервые нашли экзопланету с видимой атмосферой

Ученые уточняют, насколько быстро расширяется Вселенная / Хабр

Анализ, проведенный группой, открывает путь к более качественным измерениям в будущем с помощью телескопов из массива черенковских телескопов.

Используя самые современные технологии и методы, команда астрофизиков Университета Клемсона добавила новый подход к количественному определению одного из самых фундаментальных законов Вселенной.

Ученые Клемсона Марко Аджелло, Абхишек Десаи, Леа Маркотулли и Дитер Хартманн совместно с шестью другими учеными по всему миру разработали новое измерение постоянной Хаббла — единицы измерения, используемой для описания скорости расширения Вселенной.

«Космология — это понимание эволюции нашей Вселенной: как она развивалась в прошлом, что она делает сейчас и что произойдет в будущем, — сказал Аджелло, доцент кафедры физики и астрономии колледжа науки. – Наши знания основаны на ряде параметров, включая постоянную Хаббла, которые мы стремимся измерить как можно точнее. В этой статье наша команда проанализировала данные, полученные как с орбитальных, так и с наземных телескопов, чтобы получить одно из новейших измерений скорости расширения Вселенной.»

Концепция расширяющейся Вселенной была выдвинута американским астрономом Эдвином Хабблом (1889—1953). В начале XX века Хаббл стал одним из первых астрономов, который пришел к выводу, что Вселенная состоит из множества галактик. Его последующие исследования привели к самому известному открытию: галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию до них.

Первоначально Хаббл оценивал скорость расширения в 500 километров в секунду на мегапарсек, при этом мегапарсек был эквивалентен примерно 3,26 миллиона световых лет. Хаббл пришел к выводу, что галактика, находящаяся в двух мегапарсеках от нашей галактики, удаляется в два раза быстрее, чем галактика, находящаяся всего в одном мегапарсеке. Эта оценка стала известна как постоянная Хаббла, которая впервые доказала, что Вселенная расширяется.

С помощью постоянно совершенствующихся технологий астрономы пришли к измерениям, которые значительно отличались от первоначальных расчетов Хаббла — замедление скорости расширения до 50-100 километров в секунду на мегапарсек. А в последнее десятилетие сверхсовременные приборы, такие как спутник Планка, значительно повысили точность первоначальных измерений Хаббла.

В статье, озаглавленной «Новое измерение постоянной Хаббла и содержания вещества во Вселенной с использованием внегалактического фонового ослабления гамма-излучения», группа сравнила последние данные об ослаблении гамма-лучей с помощью космического телескопа Ферми и атмосферных телескопов Черенкова, чтобы разработать свои оценки на основе моделей внегалактического фонового света. Эта новая стратегия привела к измерению, равному приблизительно 67,5 километров в секунду на мегапарсек.

Гамма-лучи — самая высокоэнергетическая форма света. Внегалактический фоновый свет (EBL) — это космический туман, состоящий из всего ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, испускаемого звездами или пылью в их окрестностях. Когда гамма-лучи и EBL взаимодействуют, они оставляют заметный отпечаток — постепенную потерю потока, который ученые смогли проанализировать при формулировании своей гипотезы.

Ученые Марко Аджелло (Marco Ajello), Абхишек Десаи (Abhishek Desai), Леа Маркотулли (Lea Marcotulli) и Дитер Хартманн (Dieter Hartmann) совместно с шестью другими учеными по всему миру разработали новое измерение постоянной Хаббла.

«Астрономическое сообщество вкладывает очень большие деньги и ресурсы в создание точной космологии со многими различными параметрами, включая постоянную Хаббла, — сказал Дитер Хартманн, профессор физики и астрономии. — Наше понимание этих фундаментальных констант определило Вселенную такой, какой мы ее знаем сейчас. Когда наше понимание законов становится более точным, наше определение Вселенной также становится более точным, что приводит к новым озарениям и открытиям.»

Распространенной аналогией расширения Вселенной является воздушный шар, усеянный точками, причем каждая точка представляет собой галактику. Когда шар надувается, пятна распространяются все дальше и дальше друг от друга.

«Некоторые теоретики предполагают, что воздушный шар расширится до определенного момента времени, а затем снова схлопнется, — сказал Десаи, аспирант-исследователь на кафедре физики и астрономии. — Но самое распространенное убеждение состоит в том, что Вселенная будет продолжать расширяться до тех пор, пока все не окажется настолько далеко друг от друга, что больше не будет наблюдаемого света. В этот момент Вселенную постигнет холодная смерть. Но нам не о чем беспокоиться. Если это случится, то через триллионы лет.»

Но если аналогия с воздушным шаром правильна, то что именно надувает воздушный шар?

«Материя — звезды, планеты, даже мы — это лишь малая часть общего состава Вселенной, — объяснил Аджелло. — Большая часть Вселенной состоит из темной энергии и темной материи. И мы верим, что это темная энергия «надувает воздушный шар». Темная энергия отталкивает вещи друг от друга. Гравитация, которая притягивает объекты друг к другу, является более сильной силой на локальном уровне, поэтому некоторые галактики продолжают сталкиваться. Но на космических расстояниях темная энергия является доминирующей силой.»

«Замечательно, что мы используем гамма-лучи для изучения космологии. Наша методика позволяет нам использовать независимую стратегию — новую методологию, независимую от существующих, — чтобы измерить важнейшие свойства Вселенной, — сказал Домингес, который также является научным сотрудником в группе Аджелло. — Наши результаты показывают зрелость, достигнутую в последнее десятилетие относительно области высокоэнергетической астрофизики. Анализ, который мы разработали, открывает путь к более качественным измерениям в будущем с использованием массива телескопов Черенкова, который все еще находится в разработке и будет самым амбициозным массивом наземных высокоэнергетических телескопов когда-либо.»

Многие из этих методов, использованных в настоящей статье, соотносятся с предыдущей работой, проведенной Аджелло и его коллегами. В более раннем проекте, который появился в журнале Science, Аджелло и его команда смогли измерить весь звездный свет, когда-либо испускавшийся в истории Вселенной.

«Нам известно, что фотоны гамма-излучения от внегалактических источников движутся во Вселенной к Земле, где они могут поглощаться при взаимодействии с фотонами звездного света», — сказал Аджелло. — Скорость взаимодействия зависит от длины их путешествия во Вселенной. И длина, которую они проходят, зависит от расширения. Если расширение невелико, они перемещаются на небольшое расстояние. Если расширение велико, они перемещаются на очень большое расстояние. Таким образом, величина поглощения, которую мы измеряли, очень сильно зависела от величины постоянной Хаббла. Что мы сделали, так это изменили ее и использовали, чтобы ограничить скорость расширения Вселенной.»

Больше статей читайте на моём Телеграм-канале Quant (@proquantum)

Канал, посвящённый физике, квантовой механике и астрофизике.

Подписывайтесь и расширяйте свои знания!

Вселенная расширяется быстрее, чем предполагали ученые

На основе многочисленных наблюдений звезд и галактик ученые стали замечать, что Вселенная разлетается быстрее, чем показывают самые точные модели космоса. Свидетельства этому накапливались годами, в результате чего некоторые ученые назвали данный процесс надвигающимся кризисом в космологии. Последние данные, которые удалось собрать группе исследователей при помощи космический телескопа Хаббл, говорят о том, что ошибки быть не может, вселенная действительно разлетается быстрее.

Загадка получила название “напряжение Хаббла” в честь астронома Эдвина Хаббла. В 1929 году он заметил, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется. Тем не менее, не все ученые согласны с этими выводами, и все еще утверждают, что “напряжение Хаббла” — это просто артефакт. Но какие есть “за” и “против”?

Исследователи пытались измерить текущую скорость расширения Вселенной двумя основными способами — путем измерения расстояний до ближайших звезд и методом картирования слабого свечения, относящегося к молодой Вселенной. Исследование также выявило некоторые ключевые космические ингредиенты, такие как темная энергия — таинственная сила, которая, как считается, движет ускоряющимся расширением Вселенной.

Эти два метода показывают разные результаты относительно текущей скорости расширения Вселенной. Расхождение составляет примерно 8 процентов. Это различие может показаться незначительным, но, если оно действительно существует, значит Вселенная стала расширяться быстрее, чем вначале своего существования.

В нескольких исследованиях, опубликованных The Astrophysical Journal, для измерения расстояния между нами и ближайшими галактиками используются определенные типы звезд и звездные взрывы. Набор данных включает наблюдения 42 различных звездных взрывов, что более чем вдвое превышает масштаб предыдущего анализа такого рода. Согласно результатам, противоречие между их новым анализом и результатами измерений раннего космоса достигло пяти сигм, статистического порога, используемого в физике элементарных частиц для подтверждения существования новых частиц.

Один из способов получить постоянную Хаббла (скорость расширения вселенной) основан на космическом микроволновом фоне (CMB), слабом свечении, которое образовалось, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Телескопы, такие как обсерватория Planck Европейского космического агентства, измерили реликтовое излучение, предоставив подробный снимок того, как материя и энергия были распределены в ранней Вселенной, а также физику, которая ими управляла.

Используя модель, которая с поразительным успехом предсказывает многие свойства Вселенной, известную как модель Лямбда Холодной Темной Материи, космологи могут математически просчитать развитие молодой Вселенной и предсказать, какой должна быть сегодняшняя постоянная Хаббла. Согласно этому методу, Вселенная должна расширяться со скоростью около 67,36 километров в секунду на мегапарсек.

Другие команды измеряют постоянную Хаббла, глядя на “локальную” вселенную, то есть более современные звезды и галактики, которые относительно близки к нам. Эта версия расчета требует двух видов данных: насколько быстро галактика удаляется от нас и как далеко эта галактика находится. Этот метод требует от астрономов разработки так называемой лестницы космических расстояний.

Лестница космических расстояний нового исследования, составленная исследовательской группой SHoES, начинается с измерения расстояний между нами и некоторыми видами звезд, называемыми цефеидными переменными. Чтобы расширить лестницу еще дальше, астрономы добавили ступеньки, основанные на звездных взрывах, названных сверхновыми типа 1a.

Изучая галактики, в которых находятся как цефеиды, так и сверхновые типа 1a, астрономы могут установить взаимосвязь между яркостью сверхновых и расстояниями до них. Поскольку сверхновые типа 1a намного ярче, чем цефеиды, их можно увидеть на гораздо больших расстояниях, что позволяет астрономам распространять свои измерения на галактики, расположенные глубже в космосе.

Проблема вычисления постоянной Хаббла заключается в том, что точно измерить данных всех звезд и сверхновых крайне сложно. С технической точки зрения, не все цефеиды и сверхновые типа 1a выглядят одинаково. Некоторые из них могут иметь разный состав, разные цвета или разные типы родительских галактик. Астрономы потратили много лет на то, чтобы выяснить, как объяснить всю эту изменчивость. Тем не менее чрезвычайно трудно с уверенностью сказать, что в том или ином измерении не закралась ошибка.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под названием “Пантеон +” исчерпывающе проанализировала более 1700 наблюдений сверхновых типа 1a, собранных с 1981 года. Анализ включал количественную оценку всех известных неопределенностей и источников систематической ошибки.

Проведя исчерпывающую перекрестную проверку факторов, которые могут повлиять на наблюдения цефеид, команда дала самую точную оценку для постоянной Хаббла — 73,04 километра в секунду на мегапарсек, плюс-минус 1,04. Это примерно на 8 процентов выше, чем значение, полученное на основе измерений CMB обсерваторией Planck.

Команда также приложила все усилия, чтобы проверить идеи сторонних ученых о том, почему ее оценка постоянной Хаббла выше, чем оценка Планка. Всего исследователи изучили 67 анализов, многие из которых усугубили загадку напряженности Хаббла.

Венди Фридман, ученый из Чикагского университета, работала над оценкой, которая не основана на пульсации звезд. Вместо этого она использовала определенную группу красных гигантских звезд, которые действуют также, как электрические лампочки известной мощности. Основываясь на этих альтернативных объектах с известной внутренней яркостью, постоянная Хаббла составила 69,8 км/с на мегапарсек.

Несмотря на тщательную работу команды, Фридман говорит, что необнаруженные ошибки все еще могут влиять на анализ, возможно, создавая иллюзорное напряжение. По ее словам, некоторые источники неопределенности неизбежны. Есть только три галактики, достаточно близкие к Млечному Пути, расстояния от которых мы можем измерить напрямую.

Команды Pantheon + и SH0ES внимательно изучили результаты Фридман и других исследователей. Согласно их работе, включение дополнительных звезд, которые использовала Фридман, немного снижает оценку постоянной Хаббла, но не снимает напряженности. И если напряжение Хаббла действительно отражает нашу физическую реальность, как утверждают ученые, то для ее объяснения, вероятно, потребуется добавить еще один пункт в наш список фундаментальных компонентов Вселенной.

Согласно одной из теорий, примерно через 50 тысяч лет после Большого взрыва произошла кратковременная вспышка темной энергии. В принципе, короткий всплеск дополнительной темной энергии мог бы изменить скорость расширения ранней Вселенной в достаточной степени, чтобы возникло напряжение Хаббла, не нарушая при этом стандартную модель космологии.

Но, по оценкам космологов, возраст Вселенной упадет с нынешних 13,8 миллиарда лет до примерно 13 миллиардов лет. На данный момент нет никаких очевидных доказательств ранней темной энергии. Хотя некоторые намеки все же имеются. В сентябре Космологический телескоп Атакама, учреждение в Чили, которое измеряет космический микроволновый фон, заявило, что модель, включающая раннюю темную энергию, соответствует их данным лучше, чем стандартная космологическая модель. Правда, есть теория, согласно которой темная материя, наоборот, замедляла расширение вселенной.

Очевидно, что для разгадки напряжения Хаббла потребуются дополнительные, более точные наблюдения. Возможно, окончательную точку в споре о скорости расширения вселенной поставит телескоп Джеймса Уэбба, который перепроверить данные измерений, выполненных ранее телескопом Хаббл.

Расширение Вселенной измерили при помощи размера гравитационных линз

Астрономия

19:20
16 Сен. 2019

Сложность
4.2

Переменность источника B1608+656

Suyu, Fassnacht, NRAO/AUI/NSF

Астрофизики воспользовались
оценкой реальных размеров гравитационных линз для уточнения постоянной Хаббла,
которая описывает скорость расширения Вселенной. Ученые использовали полученные
величины для корректировки метода стандартных свечей. В результате у них
получилось значение 82,4 километров в секунду на мегапарсек ± 10 процентов, пишут авторы в журнале Science. Результат не
согласуется с данными по реликтовому излучению и усугубляет несоответствие
разных методов оценки расширения пространства.

Измерения свойств далеких
галактик свидетельствуют о расширении Вселенной, причем этот процесс ускоряется
со временем. Численным показателем темпа расширения является постоянная Хаббла,
которая связывает видимую скорость удаления галактик с расстояниями до них. Сейчас
Вселенная расширяется ускоренно, но в ее прошлом были и другие эпохи. В связи с
этим постоянная Хаббла на самом деле зависит от времени.

Существует несколько принципиально
разных способов определения постоянной Хаббла. Их точность за последние годы
возросла настолько, что их оценки перестали перекрываться в пределах ошибок.
Первый метод связан с изучением реликтового излучения и дает темп расширения в
раннюю эпоху существования Вселенной, из чего можно при задании модели ее эволюции
вычислить современное значение. Этот метод дает значение 67,4±0,5 километров в
секунду на мегапарсек.

Второй способ, также
иногда называемый локальным (в то время как предыдущий способ называют космологическим) основан на
оценке светимости стандартных свеч — сверхновых типа Ia. Считается, что абсолютная пиковая светимость
этих мощных вспышек связана с характером их затухания. Это позволяет оценивать
расстояние до них, сравнивая видимую яркость с теоретической суммарной. Данный
метод свидетельствует в пользу значения постоянной Хаббла на уровне 74,03±1,42 километров
в секунду на мегапарсек.

Оба способа неидеальны и
обладают собственными недостатками. В частности, первый напрямую говорит лишь о
ранней Вселенной, а ее последующую эволюцию мы теоретически можем на данный
момент представлять не совсем корректно. Второй страдает от систематических
ошибок, так как определение расстояний до сверхновых опирается на ряд других
непрямых методов, причем неточности их всех накапливаются.

Ин Джи (Inh Jee) из Института астрофизики Общества Макса Планка и его коллеги из Германии и Нидерландов предложили новую калибровку расстояний до сверхновых.
Для этого авторы используют эффект гравитационного линзирования, то есть
преломления света притяжением массивных тел. В рамках данной работы ученые использовали
всего две линзы, известные как CLASS B1608+656  и RXS J1131–1231, чьи красные смещения
составляют 0,295 и 0,6304, соответственно.

Гравитационное
линзирование и раньше использовали для определения темпа расширения, но в новой
работе это делается иначе. Ранее ученые следили за временем, которое проходит
между вспышками яркости различных изображений линзируемого объекта. Теперь ученые
добавили к этой информации данные о самих линзирующих галактиках.

Астрономы оценили
скорость вращения звезд в дисках этих галактик, что вместе с информацией о
разности путей лучей линзируемого объекта позволяет найти абсолютный размер
галактики-линзы. В результате можно сопоставить полученное значение с
измеряемым угловым размером системы, что позволяет получить новую оценку расстояния
до далекой галактики, что можно использовать для уточнения шкалы расстояний до
сверхновых.

Применив данную калибровку к сверхновым, авторы получили исключительно высокое значение постоянной Хаббла на уровне 82 ± 8 километров в секунду на мегапарсек. Эта оценка едва пересекается по нижней границе с результатами по сверхновым со стандартной калибровкой. При этом она гораздо больше полученной при анализе реликтового излучения.

На данный момент ошибки
метода высоки, что в первую очередь связано с маленькой выборкой, в которой
всего два объекта. Тем не менее, авторы отмечают, что эти результаты очень
слабо зависят от других космологических параметров, что делает данный метод
перспективным. Возможно, большая статистика позволит разрешить ставшую особенно
острой в последние годы «напряженность Хаббла» между различными оценками
скорости расширения Вселенной.

Другая попытка построения альтернативной калибровки для сверхновых была недавно предпринята с помощью красных гигантов. Астрофизики ранее предлагали альтернативные объяснения для космологических оценок, которые позволяют примирить их с локальными. В прошлом были подобные идеи и насчет данных по сверхновым, но новые работы не подтверждают существования необходимых особенностей в распределении вещества в ближайшей космической окрестности.

Тимур Кешелава

«Хаббл» обнаружил нестыковку в знаниях учёных о Вселенной

26 мая 2022
16:45

Юлия Рудый

Прославленный телескоп за несколько десятилетий работы позволил учёным открыть не один десяток тайн мироздания.

Составное изображение NASA, ESA, Adam G. Riess (STScI, JHU).

Польза цефеид с точки зрения определения расстояний во Вселенной была открыта астрономом Генриеттой Суон Ливитт в 1912 году.

Фото Wikimedia Commons.

32 года исследований космоса с помощью телескопа Hubble привели к накоплению огромного массива данных. Учёные проанализировали по ним скорость расширения Вселенной и пришли к выводу, что мы не знаем чего-то очень важного о начале времён.

Телескоп «Хаббл» был назван так в честь гениального астронома Эдвина Хаббла. Этот учёный, как и многие другие выдающиеся личности в науке, изменил наше представление о Вселенной и подарил многим будущем поколениям исследователей возможность найти ответы на многие волнительные вопросы.

Сто лет назад Эдвин Хаббл обнаружил за пределами нашей галактики, Млечный Путь, множество галактик. До него мы могли обозревать лишь наш звёздный дом. Хаббл также показал, что другие галактики не стоят на месте: они как будто бы разбегаются в пространстве. Впрочем, до конца увериться в своей правоте он не успел.

Однако его ученики доказали: пространство Вселенной постоянно расширяется. Более того, в начале 2000-х стало окончательно ясно, что Вселенная расширяется с ускорением. Чему способствует таинственная тёмная энергия.

Астрономы нашли способ рассчитать расстояние до других галактик во Вселенной с помощью так называемых «стандартных свечей». Светимость этих объектов не меняется с течением времени, поэтому, определяя их яркость, мы можем узнать скорость расширения, а значит, и возраст Вселенной.

Вечна ли она, существовала ли она всегда, и что будет с ней происходить дальше?

Сегодня большинство космологов придерживаются мнения, что Вселенная появилась в результате Большого взрыва (что было до него, мы пока не знаем), и ей порядка 13,8 миллиарда лет.

Впрочем, учёные периодически выдвигают и весьма экзотические теории, которые можно будет подтвердить или опровергнуть только с течением времени и ростом возможностей человечества в вопросах изучения космоса.

На данный момент в качестве «почтовых столбов», отмечающих расстояния во Вселенной, чаще всего используются звёзды цефеиды, непредсказуемые взрывы сверхновых (типа Ia) и реликтовое излучение, которое осталось со времён Большого взрыва. (Есть ещё красные гиганты и гравитационные волны.)

Цефеиды демонстрируют предсказуемо переменную светимость, но их свет достаточно слаб. Взрывы сверхновых лучше «видны» из соседних галактик. В то же время реликтовое излучение очень слабое, но оно заполняет собой всю Вселенную и может многое рассказать даже о самых ранних этапах жизни Вселенной.

Поясним, что астрономы для измерения скорости разбегания галактик используют постоянную Хаббла, которую они на протяжении многих лет высчитывают с разной степенью точности. Постоянная Хаббла измеряется в километрах в секунду на мегапарсек. (Один мегапарсек равен тысяче парсеков, или 3261 световому году.)

Постоянная Хаббла на самом деле вовсе не постоянная. С течением времени она изменяется, но, так как её значение пытаются определить фактически последние 50 лет, на столь коротком временном отрезке (в рамках жизни Вселенной) её точно можно считать постоянной.

В конце 20 века астрономы пришли к выводу, что значение постоянной Хаббла находится примерно между отметками 50 и 100. Это огромнейший разброс. В 1990-х годах модели сконцентрировались у значения около 70. Однако разброс всё ещё был достаточно велик.

Когда в 1990 году был запущен космический телескоп «Хаббл», скорость расширения Вселенной была настолько неопределённой, что возраст Вселенной мог составлять как 8 миллиардов лет, так и 20 миллиардов лет. Измерение проводилось по цефеидам. Невысокая степень точности/уверенности учёных в результатах расчётов определялась многими факторами.

К началу 2000-х годов для постоянной Хаббла была достигнута точность 10%: 72±8 километров в секунду на мегапарсек.

После 30 лет кропотливой работы с данными «Хаббла» астрономы сузили неопределённость скорости расширения Вселенной до чуть более 1%.

И тут мы наконец подбираемся к тому, что же за результат анонсировали учёные на днях. Как сообщается, это «наиболее точное измерение скорости расширения Вселенной с помощью золотого стандарта телескопов и маркеров космических миль». Под маркерами космических миль подразумеваются взрывы сверхновых.

Чтобы получить ещё более точный результат, понадобится ещё 30 лет работы «Хаббла».

Команда лауреата Нобелевской премии Адама Рисса в рамках программы SHOES (Supernova, H0, for the Equation of State of Dark Energy) изучила 42 взрыва сверхновых, зафиксированных «Хабблом», и пришла к выводу, что постоянная Хаббла равна 73 плюс-минус один километр в секунду на мегапарсек.

Напомним, что ранее коллаборация, использовавшая данные телескопа «Планк» (измерения проводились по реликтовому излучению), пришла к выводу, что постоянная Хаббла составляет 67,5 километра плюс-минус 0,5 километра в секунду на мегапарсек.

Означает ли это, что группа Рисса ошиблась? Учитывая достаточно большой размер выборки «Хаббла» (ещё бы, в арсенале учёных было 30 лет наблюдений!), вероятность ошибки составляет один шанс на миллион. Проще говоря: нет, астрономы не ошиблись в своих расчётах.

Однако новые данные и выявленное большое расхождение в параметрах расширения Вселенной, измеренное «рядом с Млечным Путём» и «вдали от него», вновь указывает на то, что мы не знаем чего-то очень важного о Вселенной.

Выходит, учёным нужно создавать новые модели и Новую физику, которая бы заполнила этот пробел в знаниях, сопоставила значения.

И в этом смысле расхождение в постоянной Хаббла при измерениях разными способами, восхищает, а не огорчает команду Рисса и остальных учёных планеты. Ведь оно чётко указывает на то, что нам нужно и дальше распутывать этот клубок.

«На самом деле меня не волнует конкретное значение расширения, но мне нравится использовать его для изучения Вселенной», — говорит Адам Рисс, которому сейчас 52 года.

К слову, помочь астрономам в их дальнейших изысканиях может новый космический телескоп «Джеймс Уэбб», который продолжит дело «Хаббла».

У «Уэбба» более зоркие «глаза». Кроме того, он станет самым чувствительным инфракрасным телескопом планеты. А значит, он позволит изучить «стандартные свечи» и ИК-излучение на больших расстояниях или в более чётком разрешении. Вполне возможно, что ещё через 10-30 лет астрономы отчитаются о новых измерениях постоянной Хаббла.

«Постоянная Хаббла — это очень особенное число. Его можно использовать, чтобы продеть иголку из прошлого в настоящее для сквозной проверки нашего понимания Вселенной. Это потребовало феноменального количества детальной работы», — отмечает доктор Лисия Верде, космолог из Барселоны.

Пока это последнее крупное обновление постоянной Хаббла на ближайшие годы, полагают учёные.

Статья команды Рисса доступна в виде препринта и будет опубликована в специальном выпуске издания The Astrophysical Journal.

Больше важных и интересных новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Подписывайтесь на наши страницы в соцсетях. «Смотрим» – Telegram и Яндекс.Дзен, Вести.Ru – Одноклассники, ВКонтакте, Яндекс.Дзен и Telegram.

наука
космос
Вселенная
Hubble
Хаббл
новости

Инфляционная стадия расширения Вселенной • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

С 30-х годов XX века астрофизики уже знали, что, согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется, а значит, она имела свое начало в определенный момент в прошлом. Задача астрофизиков, таким образом, внешне выглядела простой: отследить все стадии хаббловского расширения в обратной хронологии, применяя на каждой стадии соответствующие физические законы, и, пройдя этот путь до конца — точнее, до самого начала, — понять, как именно всё происходило.

В конце 1970-х годов, однако, оставались нерешенными несколько фундаментальных проблем, связанных с ранней Вселенной, а именно:

• Проблема антивещества. Согласно законам физики, вещество и антивещество имеют равное право на существование во Вселенной (см. Античастицы), однако Вселенная практически полностью состоит из вещества. Почему так произошло?
• Проблема горизонта. По фоновому космическому излучению (см. Большой взрыв) мы можем определить, что температура Вселенной везде примерно одинакова, однако отдельные ее части (скопления галактик) не могли находиться в контакте (как принято говорить, они были за пределами горизонта друг друга). Как же получилось, что между ними установилось тепловое равновесие?
• Проблема распрямления пространства. Вселенная, судя по всему, обладает именно той массой и энергией, которые необходимы для того, чтобы замедлить и остановить хаббловское расширение. Почему из всех возможных масс Вселенная имеет именно такую?

Ключом к решению этих проблем послужила идея, что сразу после своего рождения Вселенная была очень плотной и очень горячей. Всё вещество в ней представляло собой раскаленную массу кварков и лептонов (см. Стандартная модель), у которых не было никакой возможности объединиться в атомы. Действующим в современной Вселенной различным силам (таким, как электромагнитные и гравитационные силы) тогда соответствовало единое поле силового взаимодействия (см. Универсальные теории). Но когда Вселенная расширилась и остыла, гипотетическое единое поле распалось на несколько сил (см. Ранняя Вселенная).

В 1981 году американский физик Алан Гут осознал, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, случившееся примерно через 10^–35 секунды после рождения Вселенной (только задумайтесь — это 34 нуля и единица после запятой!), стало поворотным моментом в ее развитии. Произошел фазовый переход вещества из одного состояния в другое в масштабах Вселенной — явление, подобное превращению воды в лед. И как при замерзании воды ее беспорядочно движущиеся молекулы вдруг «схватываются» и образуют строгую кристаллическую структуру, так под влиянием выделившихся сильных взаимодействий произошла мгновенная перестройка, своеобразная «кристаллизация» вещества во Вселенной.

Кто видел, как лопаются водопроводные трубы или трубки автомобильного радиатора на сильном морозе, стоит только воде в них превратиться в лед, тот на собственном опыте знает, что вода при замерзании расширяется. Алану Гуту удалось показать, что при разделении сильных и слабых взаимодействий во Вселенной произошло нечто подобное — скачкообразное расширение. Это расширение, которое называется инфляционным, во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10^–32 секунды Вселенная расширилась на 50 порядков — была меньше протона, а стала размером с грейпфрут (для сравнения: вода при замерзании расширяется всего на 10%). И это стремительное инфляционное расширение Вселенной снимает две из трех вышеназванных проблем, непосредственно объясняя их.

Решение проблемы распрямления пространства нагляднее всего демонстрирует следующий пример: представьте координатную сетку, нарисованную на тонкой эластичной карте, которую затем смяли как попало. Если теперь взять и сильно встряхнуть эту смятую в комок эластичную карту, она снова примет плоский вид, а координатные линии на ней восстановятся, независимо от того, насколько сильно мы деформировали ее, когда скомкали. Аналогичным образом, не важно, насколько искривленным было пространство Вселенной на момент начала ее инфляционного расширения, главное — по завершении этого расширения пространство оказалось полностью распрямленным. А поскольку из теории относительности мы знаем, что кривизна пространства зависит от количества материи и энергии в нем, становится понятно, почему во Вселенной находится ровно столько материи, сколько необходимо, чтобы уравновесить хаббловское расширение.

Объясняет инфляционная модель и проблему горизонта, хотя не так прямо. Из теории излучения черного тела мы знаем, что излучение, испускаемое телом, зависит от его температуры. Таким образом, по спектрам излучения удаленных участков Вселенной мы можем определить их температуру. Такие измерения дали ошеломляющие результаты: оказалось, что в любой наблюдаемой точке Вселенной температура (с погрешностью измерения до четырех знаков после запятой) одна и та же. Если исходить из модели обычного хаббловского расширения, то вещество сразу же после Большого взрыва должно было разлететься слишком далеко, чтобы температуры могли уравняться. Согласно же инфляционной модели, вещество Вселенной до момента t = 10^–35 секунды оставалось гораздо более компактным, чем при хаббловском расширении. Этого чрезвычайно краткого периода было вполне достаточно, чтобы установилось термическое равновесие, которое не было нарушено на стадии инфляционного расширения и сохранилось до сих пор.

Инфляционная гипотеза не снимает проблемы антивещества, но эту проблему можно объяснить, обратившись к другим процессам, происходившим в то же время. Обнаруживаются интересные вещи: при бурном образовании элементарных частиц в ранней Вселенной примерно на 100 000 001 обычных частиц пришлось 100 000 000 античастиц. В следующую долю секунды частицы и античастицы, объединившись в пары, аннигилировали друг друга с гигантским выбросом энергии — масса превратилась в излучение. После такой «прополки» во Вселенной остался лишь жалкий клочок обычной материи. Вот из этого «космического мусора» и состоит вся известная нам сегодня Вселенная.

Телескоп Хаббл

уточняет тайну скорости расширения Вселенной

Эта коллекция изображений, основанная на данных космического телескопа Хаббла, включает галактики, содержащие как переменные цефеиды, так и сверхновые звезды. Такие объекты помогают наметить расширение Вселенной.
(Изображение предоставлено НАСА, ЕКА, Адамом Г. Риссом (STScI, JHU))

Ученые получили новое, более точное измерение расширения Вселенной благодаря данным, полученным за десятилетия с помощью космического телескопа Хаббл.

Новый анализ данных 32-летнего космического телескопа Хаббл продолжает давние поиски обсерватории, чтобы лучше понять, как быстро расширяется Вселенная и насколько это расширение ускоряется.

Число, которое астрономы используют для измерения этого расширения, называется постоянной Хаббла (не в честь телескопа, а в честь астронома Эдвина Хаббла, который впервые измерил ее в 1929 году). Постоянную Хаббла сложно определить, учитывая, что разные обсерватории, изучающие разные зоны Вселенной, дали разные ответы. Но новое исследование выражает уверенность в том, что последние усилия Хаббла точно соответствуют тому расширению, которое он видит, хотя все же есть отличие от других обсерваторий.

Новое исследование подтверждает предыдущие оценки скорости расширения, основанные на наблюдениях Хаббла, показывая расширение примерно на 45 миль (73 километра) на мегапарсек. (Мегапарсек — это единица измерения расстояния, равная одному миллиону парсеков, или 3,26 миллиона световых лет.)

Связано: Лучшие изображения космического телескопа Хаббл за все время!

«Учитывая большой размер выборки Хаббла, вероятность того, что астрономы ошибутся из-за неудачного розыгрыша, составляет всего один шанс на миллион… общий порог для серьезного отношения к проблеме в физике», — говорится в заявлении НАСА. (открывается в новой вкладке) в четверг (19 мая)), перефразируя Нобелевского лауреата и ведущего автора исследования Адама Рисса.

Рисс работает в Научном институте космического телескопа (STScI), который управляет Хабблом, а также в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд.

Рисс и его сотрудники получили Нобелевскую премию в 2011 году после того, как Хаббл и другие обсерватории подтвердили ускорение расширения Вселенной. Рисс называет эту последнюю работу Хаббла «выдающимся произведением», учитывая, что она опирается практически на всю историю телескопа, 32 года работы в космосе, чтобы дать ответ.

Данные Хаббла зафиксировали наблюдаемую скорость расширения в рамках программы под названием SHOES (Supernova, H0, для уравнения состояния темной энергии). Набор данных удваивает предыдущую выборку измерений и также включает более 1000 орбит Хаббла, заявило НАСА. Новое измерение также в восемь раз точнее, чем ожидалось от возможностей Хаббла.

Попытки измерить скорость расширения Вселенной обычно сосредоточены на двух маркерах расстояния. Одними из них являются цефеиды, переменные звезды, которые становятся ярче и тускнеют с постоянной скоростью; их полезность известна с 1912, когда астроном Генриетта Свон Ливитт отметила их важность в изображениях, которые она просматривала.

Цефеиды хороши для картирования расстояний внутри Млечного Пути (наша галактика) и в близлежащих галактиках. Для более дальних расстояний астрономы полагаются на сверхновые типа 1а. Эти сверхновые имеют постоянную светимость (присущую яркость), что позволяет точно оценивать расстояние до них на основе того, насколько яркими они выглядят в телескопы.

В новом исследовании НАСА заявило: «Команда измерила 42 отметки сверхновых с помощью Хаббла. возможно для измерения расширения Вселенной». (Опять же, Хаббл находится в космосе около 32 лет, запустив 24 апреля 1990; дефект зеркала, который мешал ранней работе, был устранен астронавтами в декабре 1993 г.)

Но скорость расширения все еще не имеет полного соответствия между различными попытками. В новом исследовании говорится, что измерения Хаббла составляют примерно 45 миль (73 километра) на мегапарсек. Но если принять во внимание наблюдения за глубокой Вселенной, скорость замедляется примерно до 42 миль (67,5 км) на мегапарсек.

Наблюдения за глубокой Вселенной в основном основаны на измерениях, сделанных миссией Планка Европейского космического агентства, которая наблюдала «эхо» Большого взрыва, сформировавшего нашу Вселенную. Эхо известно как космический микроволновый фон. НАСА заявило, что астрономы «не могут понять, почему существуют два разных значения», но предположило, что нам, возможно, придется переосмыслить основы физики.

Рисс сказал, что лучше всего видеть скорость расширения не по ее точному значению в то время, а по ее последствиям. «Меня не волнует конкретное значение расширения, но мне нравится использовать его для изучения Вселенной», — сказал Рисс в заявлении НАСА.

Истории по теме:

Ожидается, что в ближайшие 20 лет будет проведено больше измерений с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, который завершает пуско-наладочные работы в глубоком космосе перед тем, как начать изучение некоторых из первых галактик. Уэбб, как заявили в НАСА, будет смотреть на цефеиды и сверхновые типа 1а «с большего расстояния или с более высоким разрешением, чем то, что может видеть Хаббл». Это, в свою очередь, может уточнить наблюдаемую скорость Хаббла.

Статья, основанная на исследовании, будет опубликована в Astronomical Journal. Предварительная версия (открывается в новой вкладке) доступна на arXiv.org.

Подпишитесь на Элизабет Хауэлл в Твиттере  @howellspace (открывается в новой вкладке) . Подпишитесь на нас в Твиттере  @Spacedotcom (откроется в новой вкладке)  или Facebook.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Элизабет Хауэлл, доктор философии, является штатным корреспондентом на канале космических полетов с 2022 года. Она была автором статей для Space.com (открывается в новой вкладке) в течение 10 лет до этого, с 2012 года. Как гордый Trekkie и канадец, она также занимается такими темами, как разнообразие, научная фантастика, астрономия и игры, чтобы помочь другим исследовать вселенную. Репортажи Элизабет с места событий включают в себя два запуска пилотируемых космических кораблей из Казахстана, три миссии шаттлов во Флориде и встроенные репортажи с моделируемой миссии на Марс в Юте. Она имеет докторскую степень. и магистр наук. получил степень бакалавра космических исследований в Университете Северной Дакоты и степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете в Канаде. Элизабет также является инструктором по коммуникациям и науке после окончания средней школы с 2015 года. Ее последняя книга «Моменты лидерства от НАСА» написана в соавторстве с астронавтом Дэйвом Уильямсом. Элизабет впервые заинтересовалась космосом после просмотра фильма «Аполлон-13» в 19 лет.96, и все еще хочет когда-нибудь стать космонавтом.

Новая мера постоянной Хаббла выявляет несоответствие между оценками нашей космической судьбы — ScienceDaily Местная Вселенная не согласуется с экстраполяциями из эпохи вскоре после Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад.

Новая оценка скорости локального расширения — постоянная Хаббла, или H0 (H-ноль) — усиливает это несоответствие.

Используя относительно новый и потенциально более точный метод измерения космических расстояний, который использует среднюю звездную яркость в гигантских эллиптических галактиках в качестве ступени на лестнице расстояний, астрономы вычисляют скорость — 73,3 километра в секунду на мегапарсек, плюс-минус 2,5 км/сек/Мпк — это среднее из трех других хороших оценок, включая оценку золотого стандарта для сверхновых типа Ia. Это означает, что на каждый мегапарсек — 3,3 миллиона световых лет или 3 миллиарда триллионов километров — от Земли Вселенная расширяется на дополнительные 73,3 ± 2,5 километра в секунду. Среднее значение трех других методов составляет 73,5 ± 1,4 км/сек/Мпк.

Удивительно, но оценки скорости локального расширения, основанные на измеренных флуктуациях космического микроволнового фона и, независимо, флуктуациях плотности обычного вещества в ранней Вселенной (барионные акустические колебания), дают совсем другой ответ: 67,4 ± 0,5 км. /сек/Мпк.

Астрономы по понятным причинам обеспокоены этим несоответствием, потому что скорость расширения является критическим параметром в понимании физики и эволюции Вселенной и является ключом к пониманию темной энергии, которая ускоряет скорость расширения Вселенной и, таким образом, вызывает Хаббл постоянно меняться быстрее, чем ожидалось, с увеличением расстояния от Земли. Темная энергия составляет около двух третей массы и энергии во Вселенной, но до сих пор остается загадкой.

Для новой оценки астрономы измерили колебания поверхностной яркости 63 гигантских эллиптических галактик, чтобы определить расстояние и построили график зависимости расстояния от скорости для каждой, чтобы получить H0. Метод флуктуаций поверхностной яркости (SBF) не зависит от других методов и может обеспечить более точные оценки расстояния, чем другие методы, в пределах примерно 100 Мпк от Земли, или 330 миллионов световых лет. 63 галактики в выборке находятся на расстоянии от 15 до 99 Мпк, если оглянуться назад во времени лишь на долю возраста Вселенной.

реклама

«Для измерения расстояний до галактик до 100 мегапарсеков это фантастический метод», — сказал космолог Чанг-Пей Ма, профессор физических наук Джуди Чандлер Уэбб в Калифорнийском университете в Беркли и профессор астрономии и физики. «Это первая статья, в которой собран большой однородный набор данных по 63 галактикам с целью изучения H-ноля с использованием метода SBF».

млн лет назад возглавляет МАССИВНЫЙ обзор местных галактик, который предоставил данные для 43 галактик — две трети тех, которые использовались в новом анализе.

Данные об этих 63 галактиках были собраны и проанализированы Джоном Блейксли, астрономом из NOIRLab Национального научного фонда. Он является первым автором статьи, принятой к публикации в The Astrophysical Journal , которую он написал в соавторстве с коллегой Джозефом Дженсеном из Университета Юта-Вэлли в Ореме. Блейксли, который возглавляет научный персонал, поддерживающий оптические и инфракрасные обсерватории NSF, является пионером в использовании SBF для измерения расстояний до галактик, а Дженсен был одним из первых, кто применил этот метод в инфракрасном диапазоне. Эти двое тесно сотрудничали с Ма над анализом.

«Вся история астрономии — это, в некотором смысле, попытка понять абсолютный масштаб Вселенной, который затем говорит нам о физике», — сказал Блейксли, возвращаясь к путешествию Джеймса Кука на Таити в 1769 году, чтобы измерить прохождение Венеры, чтобы ученые могли рассчитать истинный размер Солнечной системы. «Метод SBF более широко применим к общей популяции эволюционировавших галактик в локальной вселенной, и, конечно же, если мы получим достаточно галактик с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, этот метод может дать лучшее локальное измерение постоянной Хаббла. »

Космический телескоп Джеймса Уэбба, в 100 раз более мощный, чем космический телескоп Хаббла, должен быть запущен в октябре.

Гигантские эллиптические галактики

Постоянная Хаббла была яблоком раздора на протяжении десятилетий, с тех пор как Эдвин Хаббл впервые измерил скорость локального расширения и дал ответ, в семь раз превышающий его, что означает, что Вселенная на самом деле моложе, чем его самые старые звезды. Проблема тогда и сейчас заключается в том, чтобы точно определить местоположение объектов в пространстве, что дает мало подсказок о том, как далеко они находятся.

Астрономы с годами достигли больших расстояний, начав с расчета расстояния до объектов, достаточно близких, чтобы казалось, что они слегка перемещаются из-за параллакса, когда Земля вращается вокруг Солнца. Переменные звезды, называемые цефеидами, уводят вас дальше, потому что их яркость связана с их периодом изменчивости, а сверхновые типа Ia уводят вас еще дальше, потому что они представляют собой чрезвычайно мощные взрывы, которые на своем пике сияют так же ярко, как целая галактика. Как для цефеид, так и для сверхновых типа Ia можно определить абсолютную яркость по тому, как они меняются со временем, а затем можно рассчитать расстояние по их видимой яркости, наблюдаемой с Земли.

Наилучшая текущая оценка H0 основана на расстояниях, определяемых взрывами сверхновых типа Ia в далеких галактиках, хотя более новые методы — временные задержки, вызванные гравитационным линзированием далеких квазаров и яркостью водяных мазеров, вращающихся вокруг черных дыр, — все дают около такое же количество.

Метод, использующий флуктуации поверхностной яркости, является одним из новейших и основан на том факте, что гигантские эллиптические галактики являются старыми и имеют постоянную популяцию старых звезд, в основном красных гигантов, которые можно смоделировать, чтобы получить среднюю инфракрасную яркость. по их поверхности. Исследователи получили инфракрасные изображения высокого разрешения каждой галактики с помощью широкоугольной камеры 3 на космическом телескопе Хаббла и определили, насколько каждый пиксель изображения отличается от «среднего» — чем сглаженнее колебания по всему изображению, тем дальше галактики после внесения поправок на такие дефекты, как яркие области звездообразования, которые авторы исключают из анализа.

Ни Блейксли, ни Ма не удивились тому, что скорость расширения оказалась близкой к скорости других местных измерений. Но их в равной степени смущает вопиющий конфликт с оценками ранней Вселенной — конфликт, который, по мнению многих астрономов, означает, что наши нынешние космологические теории ошибочны или, по крайней мере, неполны.

Экстраполяции ранней Вселенной основаны на простейшей космологической теории, называемой лямбда-холодной темной материей, или ?CDM, которая использует всего несколько параметров для описания эволюции Вселенной. Вбивает ли новая оценка ставку в самое сердце ?CDM?

«Я думаю, что это еще больше подтолкнет ставку», — сказал Блейксли. «Но он (?CDM) все еще жив. Некоторые люди думают, что относительно всех этих локальных измерений, (что) наблюдатели ошибаются. в одном и том же направлении для нескольких различных методов: сверхновых, SBF, гравитационного линзирования, водяных мазеров. Таким образом, по мере того, как мы получаем больше независимых измерений, эта ставка становится немного глубже».

Ма задается вопросом, не являются ли неопределенности, которые астрономы приписывают своим измерениям, которые отражают как систематические, так и статистические ошибки, слишком оптимистичными, и что, возможно, эти два диапазона оценок все еще можно согласовать.

«Присяжные вынесены», сказала она. «Я думаю, что это действительно в планках погрешностей. Но если предположить, что все планки погрешностей не занижены, напряжение становится неудобным».

На самом деле, один из гигантов в этой области, астроном Венди Фридман, недавно опубликовала исследование, в котором постоянная Хаббла была установлена ​​на уровне 69,8 ± 1,9 км/сек/Мпк, что еще больше взбаламутило воду. Последний результат Адама Рисса, астронома, получившего Нобелевскую премию по физике 2011 года за открытие темной энергии, сообщает 73,2 ± 1,3 км/сек/Мпк. Рисс был научным сотрудником Миллера в Калифорнийском университете в Беркли, когда проводил это исследование, и он разделил приз с Калифорнийским университетом в Беркли и физиком из лаборатории Беркли Солом Перлмуттером.

МАССИВНЫЕ галактики

Новое значение H0 является побочным продуктом двух других исследований близлежащих галактик, в частности, исследования Ма MASSIVE, в котором используются космические и наземные телескопы для исчерпывающего изучения 100 самых массивных галактик в пределах примерно 100 Мпк Земли. Основная цель состоит в том, чтобы взвесить сверхмассивные черные дыры в центрах каждой из них.

Для этого необходимы точные расстояния, и метод SBF на сегодняшний день является лучшим, сказала она. Исследовательская группа MASSIVE использовала этот метод в прошлом году для определения расстояния до гигантской эллиптической галактики NGC 1453 в созвездии Эридана на южном небе. Объединив это расстояние в 166 миллионов световых лет с обширными спектроскопическими данными телескопов Близнецов и Макдональда, которые позволили аспирантам Ма Крису Липольду и Мэтью Кенневиллю измерить скорости звезд вблизи центра галактики, они пришли к выводу, что NGC 1453 имеет центральную черную дыру с массой почти в 3 миллиарда раз больше солнечной.

Чтобы определить H0, Блейксли рассчитал расстояния SBF до 43 галактик в обзоре MASSIVE, исходя из 45–90 минут наблюдения HST для каждой галактики. Остальные 20 были получены из другого обзора, в котором использовалась HST для изображения больших галактик, особенно тех, в которых были обнаружены сверхновые типа Ia.

Возраст большинства из 63 галактик составляет от 8 до 12 миллиардов лет, а это означает, что они содержат большую популяцию старых красных звезд, которые являются ключевыми для метода SBF и могут также использоваться для повышения точности расчетов расстояний. В статье Блейксли использовал как переменные звезды-цефеиды, так и технику, использующую самые яркие красные гигантские звезды в галактике, называемую верхушкой ветви красных гигантов, или технику TRGB, для приближения к галактикам на больших расстояниях. Они дали стабильные результаты. Методика TRGB учитывает тот факт, что самые яркие красные гиганты в галактиках имеют примерно одинаковую абсолютную яркость.

«Цель состоит в том, чтобы сделать этот метод SBF полностью независимым от калиброванного по цефеидам метода сверхновых типа Ia, используя космический телескоп Джеймса Уэбба для калибровки ветви красных гигантов для SBF», — сказал он.

«Телескоп Джеймса Уэбба может действительно уменьшить планку ошибок для SBF», — добавил Ма. Но на данный момент двум несогласующимся показателям постоянной Хаббла придется научиться жить друг с другом.

«Я не собиралась измерять H0; это был отличный результат нашего исследования», — сказала она. «Но я космолог и наблюдаю за этим с большим интересом».

Соавторами статьи с Блейксли, Ма и Дженсеном являются Дженни Грин из Принстонского университета, руководитель группы MASSIVE, и Питер Милн из Аризонского университета в Тусоне, руководитель группы, изучающей сверхновые типа Ia. Работа выполнена при поддержке Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (HST-GO-14219, HST-GO-14654, HST GO-15265) и Национального научного фонда (AST-1815417, AST-1817100).

Хаббл достиг новой вехи в тайне скорости расширения Вселенной

Завершив почти 30-летний марафон, космический телескоп НАСА Хаббл откалибровал более 40 «миговых отметок» пространства и времени, чтобы помочь ученым точно измерить скорость расширения Вселенной — квест с поворотом сюжета.

Изучение скорости расширения Вселенной началось в 1920-х годах с измерений, проведенных астрономами Эдвином П. Хабблом и Жоржем Леметром. В 1998 году это привело к открытию «темной энергии», таинственной силы отталкивания, ускоряющей расширение Вселенной. В последние годы, благодаря данным Хаббла и других телескопов, астрономы обнаружили еще один поворот: несоответствие между скоростью расширения, измеренной в локальной вселенной, и независимыми наблюдениями сразу после Большого взрыва, которые предсказывают другое значение расширения.

Причина этого несоответствия остается загадкой. Но данные Хаббла, охватывающие множество космических объектов, которые служат маркерами расстояния, подтверждают идею о том, что происходит что-то странное, возможно, связанное с совершенно новой физикой.

«Вы получаете наиболее точную меру скорости расширения Вселенной с помощью золотого стандарта телескопов и маркеров космических миль», — сказал лауреат Нобелевской премии Адам Рисс из Научного института космического телескопа (STScI) и Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. , Мэриленд.

Рисс возглавляет научное сотрудничество по изучению скорости расширения Вселенной под названием SHOES, что означает Supernova, H ₀ , что означает уравнение состояния темной энергии. «Это то, для чего был построен космический телескоп Хаббла с использованием лучших известных нам методов. Это, вероятно, выдающийся труд Хаббла, потому что потребовалось бы еще 30 лет жизни Хаббла, чтобы хотя бы удвоить этот размер выборки», — сказал Рисс. .

В статье группы Рисса, которая будет опубликована в специальном выпуске Астрофизического журнала, сообщается о завершении крупнейшего и, вероятно, последнего крупного обновления постоянной Хаббла. Новые результаты более чем вдвое превышают предыдущую выборку маркеров космических расстояний. Его команда также повторно проанализировала все предыдущие данные, и теперь весь набор данных включает более 1000 орбит Хаббла.

Когда в 1970-х годах НАСА задумывало большой космический телескоп, одним из главных оправданий затрат и чрезвычайных технических усилий была возможность разрешить цефеиды, звезды, которые периодически становятся ярче и тускнеют, видимые внутри нашего Млечного Пути и внешних галактик. Цефеиды долгое время были золотым стандартом вех космических миль с тех пор, как их полезность была открыта астрономом Генриеттой Свон Ливитт в 1912 году. Для расчета гораздо больших расстояний астрономы используют взрывающиеся звезды, называемые сверхновыми типа Ia.

В совокупности эти объекты построили «космическую лестницу расстояний» по всей Вселенной и необходимы для измерения скорости расширения Вселенной, называемой постоянной Хаббла в честь Эдвина Хаббла. Это значение имеет решающее значение для оценки возраста Вселенной и обеспечивает базовую проверку нашего понимания Вселенной.

Начиная сразу после запуска Хаббла в 1990 году, первая серия наблюдений звезд цефеид для уточнения постоянной Хаббла была предпринята двумя группами: ключевой проект HST под руководством Венди Фридман, Роберта Кенникатта и Джереми Моулда, Марка Ааронсона и Аллана. Сэндидж и его сотрудники, которые использовали цефеиды в качестве маркеров вех для уточнения измерения расстояния до ближайших галактик. К началу 2000-х годов команды объявили, что «миссия выполнена», достигнув точности 10 процентов для постоянной Хаббла, 72 плюс-минус 8 километров в секунду на мегапарсек.

В 2005 и снова в 2009 году добавление новых мощных камер на борт телескопа Хаббла запустило «Поколение 2» постоянных исследований Хаббла, когда команды намеревались уточнить значение с точностью всего до одного процента. Это было открыто программой SHOES. Несколько групп астрономов, использующих Хаббл, в том числе SHOES, сошлись на значении постоянной Хаббла, равном 73 плюс-минус 1 километр в секунду на мегапарсек. В то время как для исследования постоянной Хаббла использовались другие подходы, разные группы пришли к значениям, близким к одному и тому же числу.

Команда SHOES включает в себя давних руководителей доктора Венлонга Юаня из Университета Джона Хопкинса, доктора Лукаса Макри из Техасского университета A&M, доктора Стефано Казертано из STScI и доктора Дэна Сколника из Университета Дьюка. Проект был разработан, чтобы ограничить Вселенную путем сопоставления с точностью постоянной Хаббла, полученной в результате изучения космического микроволнового фонового излучения, оставшегося со времен зарождения Вселенной.

«Постоянная Хаббла — это совершенно особенное число. Его можно использовать, чтобы продеть иголку из прошлого в настоящее для сквозной проверки нашего понимания Вселенной. Это потребовало феноменального количества кропотливой работы, — сказала доктор Лисия Верде, космолог ICREA и ICC-University of Barcelona, ​​рассказывая о работе команды SHOES.

С помощью Хаббла команда измерила 42 отметки вех сверхновых. Поскольку они взрываются со скоростью примерно один в год, Хаббл для всех практических целей зарегистрировал как можно больше сверхновых для измерения расширения Вселенной. Рисс сказал: «У нас есть полная выборка всех сверхновых, доступных для телескопа Хаббл, которые наблюдались за последние 40 лет». Подобно лирике из песни «Канзас-Сити» из бродвейского мюзикла , Оклахома, , Хаббл «зашел так далеко, как только мог!»

Странная физика?

Скорость расширения Вселенной была предсказана медленнее, чем на самом деле видит Хаббл. Объединив Стандартную космологическую модель Вселенной и измерения миссии «Планк» Европейского космического агентства (которая наблюдала реликтовый космический микроволновый фон 13,8 миллиарда лет назад), астрономы предсказывают более низкое значение постоянной Хаббла: 67,5 плюс-минус 0,5 км/ч. секунды на мегапарсек, по сравнению с оценкой команды SHOES в 73 9.0003

Учитывая большой размер выборки Хаббла, существует лишь один шанс на миллион, что астрономы ошибаются из-за неудачного розыгрыша, сказал Рисс, что является обычным порогом для серьезного отношения к проблеме в физике. Это открытие распутывает то, что становилось красивой и аккуратной картиной динамической эволюции Вселенной. Астрономы не могут объяснить разрыв между скоростью расширения локальной вселенной и первичной вселенной, но ответ может включать дополнительную физику вселенной.

Такие сбивающие с толку открытия сделали жизнь таких космологов, как Рисс, более захватывающей. Тридцать лет назад они начали измерять постоянную Хаббла для оценки Вселенной, но теперь это стало еще более интересным. «На самом деле меня не волнует конкретное значение расширения, но мне нравится использовать его для изучения Вселенной», — добавил Рисс.

Новый космический телескоп Уэбба НАСА продолжит работу Хаббла, показывая эти космические вехи на больших расстояниях или в более четком разрешении, чем то, что может видеть Хаббл.

Космический телескоп Хаббл — проект международного сотрудничества между НАСА и ЕКА (Европейское космическое агентство). Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, управляет телескопом. Научный институт космического телескопа (STScI) в Балтиморе, штат Мэриленд, проводит научные операции Хаббла. STScI управляется для НАСА Ассоциацией университетов по исследованиям в области астрономии в Вашингтоне, округ Колумбия. кажется, что вселенная разлетается на части быстрее, чем предсказывают наши лучшие модели космоса. Доказательства этой загадки накапливались годами, в результате чего некоторые исследователи назвали это надвигающимся кризисом в космологии.

Теперь группа исследователей с помощью космического телескопа Хаббла собрала массивный новый набор данных и обнаружила вероятность того, что расхождение является статистической случайностью, с вероятностью миллион к одному. Другими словами, кажется еще более вероятным, что существует какой-то фундаментальный компонент космоса — или какой-то неожиданный эффект известных компонентов — который астрономам еще предстоит определить.

«Кажется, Вселенная преподносит нам много сюрпризов, и это хорошо, потому что помогает нам учиться», — говорит Адам Рисс, астроном из Университета Джона Хопкинса, руководивший последними усилиями по тестированию аномалии.

Загадка известна как напряжение Хаббла в честь астронома Эдвина Хаббла. В 1929 году он заметил, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется — наблюдение, которое помогло проложить путь к нашему нынешнему представлению о Вселенной, начавшейся с Большого взрыва и с тех пор расширяющейся.

Исследователи пытались измерить текущую скорость расширения Вселенной двумя основными способами: путем измерения расстояний до ближайших звезд и картирования слабого свечения, восходящего к зародышу Вселенной. Эти двойные подходы позволяют проверить наше понимание Вселенной на протяжении более чем 13 миллиардов лет космической истории. Исследование также выявило некоторые ключевые космические ингредиенты, такие как «темная энергия», таинственная сила, которая, как считается, является движущей силой ускоряющегося расширения Вселенной.

Но эти два метода расходятся в оценке текущей скорости расширения Вселенной примерно на 8 процентов. Эта разница может показаться не такой уж большой, но если это несоответствие реально, это означает, что сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем может объяснить даже темная энергия, что подразумевает некоторый сбой в наших представлениях о космосе.

Выводы исследователей, описанные в нескольких исследованиях, представленных на прошлой неделе в Астрофизический журнал , используют определенные типы звезд и звездные взрывы для измерения расстояния между нами и ближайшими галактиками. Набор данных включает в себя наблюдения за 42 различными звездными взрывами, что более чем вдвое превышает следующий по величине анализ такого рода. Согласно работе команды, противоречие между их новым анализом и результатами измерений раннего космоса достигло пяти сигм — статистического порога, используемого в физике элементарных частиц для подтверждения существования новых частиц.

Другие астрономы все еще видят место для возможных ошибок в данных, а это означает, что напряжение Хаббла все еще может быть просто артефактом.

Однако «я не знаю, как на данный момент скрывается такая большая ошибка, и если это так, то это просто то, что никто не предположил», — говорит член команды Дэн Сколник, астроном из Университета Дьюка. «Мы проверили каждую идею, которая была представлена ​​нам, и ничего не помогло».

Космические микроволны и дистанционная лестница

Напряжение Хаббла возникает в результате попыток измерить или предсказать текущую скорость расширения Вселенной, которая называется постоянной Хаббла. Используя его, астрономы могут оценить возраст Вселенной с момента Большого взрыва.

Один из способов получить постоянную Хаббла основан на космическом микроволновом фоне (CMB), слабом свечении, которое сформировалось, когда Вселенной было всего 380 000 лет. Телескопы, такие как обсерватория Планк Европейского космического агентства, измерили реликтовое излучение, предоставив подробный снимок того, как материя и энергия были распределены в ранней Вселенной, а также физику, которая ими управляла.

Используя модель, которая с поразительным успехом предсказывает многие свойства Вселенной, известную как модель лямбда-холодной темной материи, космологи могут математически быстро перемотать вперед зарождающуюся Вселенную, как видно из реликтового излучения, и предсказать, какой должна быть сегодняшняя постоянная Хаббла. Этот метод предсказывает, что Вселенная должна расширяться со скоростью около 67,36 километров в секунду на мегапарсек (мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет).

В отличие от этого, другие команды измеряют постоянную Хаббла, глядя на «местную» вселенную: более современные звезды и галактики, которые относительно близки к нам. Эта версия расчета требует двух видов данных: как быстро галактика удаляется от нас и как далеко находится эта галактика. Это, в свою очередь, требует от астрономов разработки так называемой лестницы космических расстояний.

Новая лестница космических расстояний, собранная исследовательской группой Рисса SH0ES, начинается с измерения расстояний между нами и определенными видами звезд, называемыми переменными цефеидами. Цефеиды ценны тем, что, по сути, они действуют как стробоскопы известной мощности: они регулярно становятся ярче и тускнеют, и чем ярче цефеиды, тем медленнее они пульсируют. Используя этот принцип, астрономы могут оценить собственную яркость еще более далеких цефеид на основе частоты их пульсаций и, в конечном итоге, рассчитать расстояние до звезд от нас.

Чтобы расширить лестницу еще дальше, астрономы добавили ступени, основанные на звездных взрывах, называемых сверхновыми типа 1а. Изучая галактики, в которых есть как цефеиды, так и сверхновые типа 1а, астрономы могут определить взаимосвязь между яркостью сверхновых и расстоянием до них. А поскольку сверхновые типа 1а намного ярче цефеид, их можно увидеть на гораздо больших расстояниях, что позволяет астрономам расширить свои измерения на более глубокие галактики космоса.

Учет вариаций

Проблема в том, что точное измерение всех этих звезд и сверхновых чертовски сложно. С технической точки зрения, не все цефеиды и сверхновые типа 1а выглядят одинаково: некоторые из них могут иметь разный состав, разные цвета или разные типы родительских галактик. Астрономы потратили много лет на выяснение того, как объяснить всю эту изменчивость, но крайне сложно с уверенностью сказать, что какой-то скрытый источник ошибки не бьет по чашам весов.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под названием коллаборация Pantheon+ тщательно проанализировала 1701 наблюдение сверхновых типа 1a, собранных с 1981 года. Анализ включал усилия по количественной оценке всех известных неопределенностей и источников систематических ошибок.

«Мы заботимся, например, о том, какой была погода и вид в телескоп в ноябре 1991 года — это жесткое », — говорит Сколник из Университета Дьюка, который возглавляет Pantheon+ вместе с исследователем Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Диллоном Браутом. .

Выводы группы учтены в новом анализе Рисса и его коллег из SH0ES. Выполнив столь же исчерпывающую перекрестную проверку факторов, которые могут повлиять на наблюдения цефеид, команда получила самую точную оценку для постоянной Хаббла: 73,04 километра в секунду на мегапарсек, плюс-минус 1,04. Это примерно на 8 процентов выше, чем значение, полученное из измерений реликтового излучения обсерваторией Планк.

Команда также приложила немало усилий, чтобы проверить идеи сторонних ученых о том, почему ее оценка постоянной Хаббла выше, чем у Планка. Всего исследователи провели 67 вариантов своего анализа, многие из которых усугубили напряженность.

«Я думаю, мы внимательно выслушали множество проблем и вопросов, — говорит Рисс. «Это не просто «шазам»… Мы сделали много глубоких погружений в кроличьи норы».

Неизвестная вселенная

Однако в последние годы Венди Фридман из Чикагского университета работала над оценкой, которая не опирается на пульсирующие звезды. Вместо этого она использует определенную группу красных гигантских звезд, которые также действуют как лампочки известной мощности. Основываясь на этих альтернативных «стандартных свечах» или объектах с известной внутренней яркостью, независимая оценка Фридманом постоянной Хаббла составляет 69.0,8 километра в секунду на мегапарсек — в середине двух других измерений.

Несмотря на тщательную работу команды, Фридман говорит, что необнаруженные ошибки все еще могут влиять на анализ, возможно, создавая иллюзорное напряжение. Она добавляет, что некоторые источники неопределенности также неизбежны. Во-первых, есть только три галактики, достаточно близкие к Млечному Пути, расстояние до которых мы можем измерить напрямую, и основание лестницы космических расстояний опирается на это трио.

«Три — небольшое число, но именно его нам дала природа, — говорит Фридман.

Команды Pantheon+ и SH0ES внимательно изучили результаты Фридмана и других ученых, и некоторые из их различных анализов исследуют, что произойдет, если звезды, предпочитаемые Фридманом, будут добавлены к космической шкале расстояний, наряду с цефеидами и сверхновыми типа 1a. Согласно их работе, включение этих дополнительных звезд немного снижает оценку постоянной Хаббла, но не устраняет напряженность.

И если хаббловское напряжение действительно отражает нашу физическую реальность, то для его объяснения, вероятно, потребуется добавить еще один пункт в наш список фундаментальных компонентов Вселенной.

Один из ведущих теоретических претендентов, названный ранней темной энергией, предполагает, что примерно через 50 000 лет после Большого взрыва произошел кратковременный всплеск темной энергии. В принципе, короткая вспышка дополнительной темной энергии могла бы изменить расширение ранней Вселенной в достаточной степени, чтобы устранить напряженность Хаббла, не слишком нарушая стандартную космологическую модель.

Но при этом оценки космологами возраста Вселенной упадут с нынешних 13,8 миллиардов лет до примерно 13 миллиардов лет.

«Есть много вопросов о том, почему вы должны ввести эту новую вещь, которая просто появляется и исчезает — это кажется немного забавным», — говорит Майк Бойлан-Колчин, астрофизик из Техасского университета в Остине. «Но мы находимся в том месте, где, если эти вещи действительно настолько противоречивы, возможно, нам нужно начать искать в забавных уголках вселенной».

На данный момент нет убедительных доказательств ранней темной энергии, хотя некоторые намеки появились. В сентябре Атакамский космологический телескоп, объект в Чили, который измеряет космический микроволновый фон, заявил, что модель, включающая раннюю темную энергию, лучше соответствует его данным, чем стандартная космологическая модель. Данные телескопа «Планк» расходятся, поэтому потребуются будущие наблюдения, чтобы добраться до сути тайны.

Другие обсерватории также должны помочь прояснить напряженность Хаббла. Спутник ESA Gaia, например, картирует Млечный Путь с 2014 года, производя все более точные оценки расстояния между нами и многими звездами нашей галактики, включая цефеиды. А предстоящий космический телескоп Джеймса Уэбба, который должен быть запущен в конце этого месяца, должен помочь астрономам перепроверить измерения некоторых звезд, сделанные Хабблом.

«Мы работаем на грани возможного, — говорит Фридман. «Мы докопаемся до сути».

Читать дальше

Три новых вида змей обнаружены на кладбищах

• Животные

Три новых вида змей обнаружены на кладбищах живет под землей.

Эксклюзивный контент для подписчиков

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету 6 20039

7

Почему люди так чертовски одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету

Подробнее

Как Вселенная ускоряется, если скорость расширения падает?

Существует множество научных доказательств, подтверждающих картину расширяющейся Вселенной. .. [+] и Большого Взрыва, сопровождаемого темной энергией. Далекие галактики сегодня удаляются от нас быстрее, чем 6 миллиардов лет назад, но сама скорость расширения продолжает падать.

NASA / GSFC

Если вы посмотрите на любую галактику во Вселенной, которая гравитационно не связана с нашей, мы уже знаем, что с ней произойдет в будущем. Наша Местная группа, состоящая из нашего Млечного Пути, Андромеды и около 60 меньших галактик, является единственной, связанной с нами. Если рассматривать любую другую галактику как часть связанной структуры, в которую она входит, например, в пару, группу или скопление галактик, вся эта структура удаляется от нас, а ее свет систематически смещается в сторону более длинных волн: космическое красное смещение. Чем дальше галактика, в среднем, тем больше величина ее красного смещения, что означает, что Вселенная расширяется.

Более того, если бы вы задержались на большое количество космического времени, вы бы обнаружили, что эта галактика ускоряется в своем удалении от нас. Со временем она будет смещаться в красную сторону все больше и больше, а это означает, что Вселенная не только расширяется, но и ускоряется. Предполагаемая скорость для любой галактики (которая не связана с нами гравитационно) со временем будет расти, и все такие галактики в конечном итоге станут недоступными, даже при скорости света. И все же, если бы мы измерили скорость расширения Вселенной, которую мы обычно называем постоянной Хаббла, мы бы обнаружили, что она на самом деле падает со временем, а не растет.

Вот как это возможно в ускоряющейся Вселенной.

Вместо пустой, пустой, трехмерной сетки размещение массы приводит к тому, что было бы … [+] «прямые» линии вместо этого искривляются на определенную величину. Искривление пространства из-за гравитационного воздействия Земли — это одна из визуализаций гравитации и фундаментальное отличие общей теории относительности от специальной теории относительности.

КРИСТОФЕР ВИТАЛ ИЗ СЕТЕВЫХ ЛОГИЙ И ИНСТИТУТА ПРАТТА

Первое, что вы должны понять, это то, что в нашей теории гравитации — общей теории относительности Эйнштейна — существует чрезвычайно сильная связь между материей и энергией в нашей Вселенной и тем, как ведут себя пространство и время. Присутствие, количество и типы присутствующей материи и энергии определяют, как пространство и время изгибаются и развиваются во времени, и это искривленное пространство-время сообщает материи и энергии, как двигаться.

Теория Эйнштейна чрезвычайно сложна; Потребовались месяцы, чтобы найти первое точное решение в общей теории относительности, и это было для Вселенной с одной невращающейся незаряженной точечной массой. Спустя более 100 лет до сих пор известно всего два десятка точных решений.

ЕЩЕ ОТ FORFORBES ADVISOR

К счастью, один из них относится к Вселенной, равномерно заполненной во всех местах примерно одинаковым количеством материи, радиации и любых других форм энергии, какие только можно придумать. Когда мы смотрим на Вселенную и измеряем ее в самых больших космических масштабах, кажется, что это описывает то, что мы видим.

В современной космологии Вселенную пронизывает крупномасштабная паутина темной материи и обычной материи. В … [+] масштабах отдельных галактик и мельче структуры, образованные материей, сильно нелинейны, с плотностью, которая сильно отличается от средней плотности. Однако в очень больших масштабах плотность любой области пространства очень близка к средней плотности: примерно до 9Точность 9,99%.

WESTERN WASHINGTON UNIVERSITY

Вселенная, заполненная одинаковым количеством вещества повсюду, с самых ранних времен (которые мы видим отпечатками на Космическом микроволновом фоне) до наших дней (где мы можем считать галактики и квазары), кажется, именно то, что у нас есть. И если это Вселенная, в которой вы живете, то существует конкретное решение, описывающее пространство-время, которое вы занимаете: пространство-время Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера.

То, что говорит нам это пространство-время, замечательно. С одной стороны уравнения вы получаете все различные формы энергии, которые могут присутствовать:

• нормальная материя,
• антиматерия,
• темная материя,
• нейтрино,
• излучение (как фотоны),
• темная энергия,
• пространственная кривизна,
• и все, что мы можем придумать.

А с другой стороны? Выражение, которое мы быстро поняли, заключалось в том, как со временем менялась ткань пространства: то росла, то сжималась. Мы могли сказать, какой из них был правдой, только наблюдая за ним.

Фотография автора у гиперстены Американского астрономического общества вместе с первым … [+] Уравнение Фридмана (в современной форме) справа. Темную энергию можно рассматривать либо как форму энергии с постоянной плотностью энергии, либо как космологическую постоянную, но она существует в правой части уравнения.

Perimeter Institute / Harley Thronson / E. Siegel

Это уравнение, которое некоторые называют самым важным уравнением во Вселенной, говорит нам, как Вселенная развивается во времени. Подумайте, что это значит: скорость, с которой Вселенная расширяется или сжимается, напрямую связана с общей суммой всей материи и энергии — во всех ее различных формах — присутствующих в ней.

Еще до того, как мы ее измерили, было широко распространено предположение, что Вселенная не расширяется и не сжимается, а остается статической. Когда Эйнштейн понял, что его уравнения предсказывают, что Вселенная, полная вещества, будет неустойчива к гравитационному коллапсу, он ввел космологическую постоянную, чтобы точно сбалансировать силу гравитации; единственный способ, который он мог придумать, чтобы предотвратить взрыв Вселенной в Большом Сжатии.

Даже когда некоторые (включая Леметра) прямо указывали ему на это, Эйнштейн высмеивал возможность того, что Вселенная может быть чем угодно, кроме статичного состояния. «Ваши расчеты верны, но ваша физика отвратительна», — написал Эйнштейн в ответ на работу Леметра. И все же, когда появились ключевые наблюдения Хаббла, результаты были безошибочными: Вселенная действительно расширялась и совершенно не соответствовала статическому решение

Первоначальные наблюдения 1929 года расширения Вселенной Хаббла, за которыми последовали … [+] более подробные, но также неопределенные наблюдения График Хаббла ясно показывает отношение красного смещения к расстоянию с превосходными данными его предшественников и конкурентов, современные аналоги идут гораздо дальше. Все данные указывают на расширяющуюся Вселенную.

РОБЕРТ П. КИРШНЕР (справа), ЭДВИН ХАББЛ (слева)

Расширяющаяся Вселенная — это та Вселенная, которая в прошлом была меньше, а в будущем будет занимать все большие и большие объемы. Это тот, который был более горячим в прошлом, поскольку излучение определяется размером его длины волны, и по мере расширения Вселенной это расширение растягивает длины волн любых фотонов, когда они путешествуют через межгалактическое пространство, при этом степень растяжения связана с величиной охлаждения. И она была еще более однородной в прошлом, поскольку почти однородная Вселенная, которая гравитирует, увидит, как эти крошечные первоначальные сверхплотности вырастут в крупномасштабную структуру, которую мы наблюдаем сегодня.

Большой вопрос, , конечно, в том, как скорость расширения Вселенной изменяется с течением времени, и это зависит от различных форм энергии, присутствующих в ней. Объем Вселенной будет продолжать расти независимо от того, что в ней находится, но скорость роста Вселенной будет меняться в зависимости от того, какими именно типами энергии она заполнена.

Давайте подробно рассмотрим некоторые примеры.

Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной, и когда они могут … [+] доминировать. Обратите внимание, что излучение преобладает над материей примерно в течение первых 9000 лет, затем преобладает материя, и, наконец, появляется космологическая постоянная. (Другие не существуют в заметных количествах.) Однако темная энергия не может быть чистой космологической постоянной.

E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

Если бы у нас была Вселенная, состоящая на 100 % из материи и вообще из ничего, она бы расширялась со скоростью ~t ^⅔ , где, если удвоить возраст Вселенной, ваш размер (в каждом из трех измерений) увеличится на 58%, а ваш объем увеличится примерно в четыре раза.

Если бы у нас была Вселенная, состоящая на 100 % из излучения и опять же из ничего, она бы расширялась со скоростью ~t ^½ . Если вы удвоите возраст своей Вселенной, ваш размер увеличится на 41% в каждом измерении, а объем увеличится примерно в 2,8 раза по сравнению с первоначальным значением.

И если бы у вас была Вселенная, заполненная темной энергией — и если мы предположим, что темная энергия действительно оказывается космологической константой, — Вселенная расширялась бы не по степенному закону во времени, а по экспоненциальному закону. Он будет расти как ~ e ^{H t} , где H — скорость расширения в любой конкретный момент времени.

Иллюстрация того, как пространство-время расширяется, когда в нем доминируют Материя, Излучение или энергия, присущая … [+] самому пространству: темная энергия. Все три этих решения выводятся из уравнений Фридмана, и эти решения можно комбинировать, чтобы представить Вселенную со всеми тремя компонентами, очень похожую на нашу.

E. Siegel

Почему эти три случая так отличаются друг от друга? Лучший способ подумать об этом — позволить им всем начинать так, как будто они — одна и та же Вселенная. У них одинаковая начальная скорость расширения, один и тот же начальный объем и одинаковое количество полной энергии, присутствующей в этом объеме.

Но когда они начинают расширяться, что происходит?

• Наполненная материей Вселенная разбавляется; его плотность падает по мере расширения объема, в то время как масса (и, следовательно, энергия, поскольку E = mc ² ) остается постоянной. С уменьшением плотности энергии уменьшается и скорость расширения.
• Заполненная радиацией Вселенная разбавляется быстрее; его плотность падает по мере расширения объема, в то время как каждый отдельный фотон также теряет энергию из-за своего космологического красного смещения. Плотность энергии падает быстрее для Вселенной, заполненной излучением, чем для Вселенной, заполненной материей, и, следовательно, скорость расширения тоже.
• Но Вселенная, наполненная темной энергией — космологической постоянной — не разбавляется. Плотность энергии остается постоянной: определение космологической постоянной. По мере того, как объем Вселенной расширяется, общее количество энергии увеличивается, сохраняя постоянную скорость расширения.

В то время как материя (как нормальная, так и темная) и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной за счет … [+] увеличения ее объема, темная энергия, а также энергия поля при инфляции, является формой энергии, присущей пространству сам. По мере того как в расширяющейся Вселенной создается новое пространство, плотность темной энергии остается постоянной.

E. SIEGEL / ЗА ГАЛАКТИКОЙ

Если бы вы тогда представили, что в каждой из этих Вселенных вы находитесь в одной и той же точке, и во Вселенной есть еще одна галактика (соответствующая другой точке), вы могли бы наблюдать, как он отдаляется от вас с течением времени. Вы могли бы измерить, как расстояние до нее менялось со временем, и вы могли бы измерить, как со временем изменилось ее красное смещение (которое соответствует скорости ее удаления).

• В наполненной материей Вселенной другая галактика будет удаляться от вас все дальше и дальше с течением времени, но при этом она удаляется от вас все медленнее. Гравитация противодействует расширению, не останавливая его, но успешно замедляя. Во Вселенной, состоящей только из материи, скорость расширения продолжает падать, в конце концов приближаясь к нулю.
• В заполненной излучением Вселенной другая галактика по-прежнему удаляется все дальше и дальше с течением времени, но галактика с течением времени не только удаляется медленнее, но и быстрее, чем в случае только материи. Скорость расширения по-прежнему стремится к нулю, но далекая галактика остается ближе и удаляется медленнее, чем в заполненной материей версии.
• Но в заполненной темной энергией Вселенной другая галактика удаляется все дальше и все быстрее. Когда он находится на расстоянии, вдвое превышающем исходное расстояние, теперь кажется, что он удаляется с удвоенной скоростью. В 10 раз больше расстояние, это 10 раз больше скорости. Несмотря на то, что скорость расширения постоянна, любая отдельная галактика ускоряется по мере удаления от нас с течением времени.

(Если вам интересно, есть пограничный случай: пустая Вселенная, где только кривизна определяет расширение. В этой Вселенной другая галактика удаляется дальше, но скорость ее удаления остается постоянной.)

График кажущейся скорости расширения (ось Y) в зависимости от расстояния (ось X) соответствует Вселенной … [+], которая расширялась быстрее в прошлом, но продолжает расширяться сегодня. Это современная версия, простирающаяся в тысячи раз дальше оригинальной работы Хаббла. Различные кривые представляют Вселенные, состоящие из разных составляющих компонентов.

Нед Райт, на основе последних данных Betoule et al. (2014)

Это может показаться вам непонятным, поэтому давайте немного математики, чтобы помочь. Скорость расширения на сегодняшний день составляет ~70 км/с/Мпк. Взгляните на эти странные юниты! Скорость расширения — это скорость (70 км/с), которая накапливается с космическим расстоянием (на каждый Мпк или мегапарсек, что соответствует ~3,26 миллионам световых лет). Если что-то находится на расстоянии 10 Мпк, оно удаляется со скоростью ~700 км/с; если он находится на расстоянии 1000 Мпк, он удаляется со скоростью 70 000 км/с.

Во Вселенной, заполненной материей или излучением, скорость расширения сама по себе со временем падает, поэтому даже по мере удаления галактики скорость расширения замедляется на больший процент, чем увеличивается расстояние до нее. Но в заполненной темной энергией Вселенной скорость расширения постоянна, поэтому по мере удаления галактика удаляется все быстрее и быстрее.

Наибольший вклад в энергию нашей Вселенной сегодня вносит материя (~32%) и темная энергия (~68%). Часть материи продолжает разбавляться, в то время как часть темной энергии остается неизменной. Поскольку оба вклада вносят свой вклад, скорость расширения продолжает падать и в конечном итоге асимптотируется до значения ~ 45-50 км / с / Мпк. Однако далекая галактика по-прежнему ускоряется по мере удаления от нас, что происходит последние 6 миллиардов лет в нашей 13,8-миллиардной истории. Скорость расширения падает, но скорости далеких галактик все еще увеличиваются или ускоряются.

Различные возможные судьбы Вселенной, наша фактическая, ускоряющаяся судьба показана справа. … [+] По прошествии достаточного количества времени ускорение оставит каждую связанную галактическую или сверхгалактическую структуру полностью изолированной во Вселенной, поскольку все остальные структуры безвозвратно ускоряются. Мы можем только заглянуть в прошлое, чтобы сделать вывод о присутствии и свойствах темной энергии, для чего требуется по крайней мере одна константа, но ее последствия для будущего более значительны.

НАСА и ЕКА

Это важный ключ к пониманию: по мере расширения Вселенной мы можем измерять две разные вещи. Мы можем измерить скорость расширения, которая говорит нам, насколько быстро галактика удаляется от нас на каждый мегапарсек. Эта скорость расширения, скорость на единицу расстояния, меняется со временем в зависимости от количества энергии, присутствующей в данном объеме Вселенной. По мере расширения Вселенной количество темной энергии в заданном объеме остается прежним, но плотность материи и энергии уменьшается, а значит, и скорость расширения.

Но вы также можете измерить скорость удаления далекой галактики, и во Вселенной, где преобладает темная энергия, эта скорость со временем будет увеличиваться: ускорение. Скорость расширения падает, асимптотически приближаясь к постоянному (но положительному) значению, в то время как скорость расширения увеличивается, ускоряясь в небытие расширяющегося пространства. Обе эти вещи одновременно верны: Вселенная ускоряется, а скорость расширения очень медленно падает. Наконец-то теперь и вы, наконец, понимаете, как это происходит.

Вселенная расширяется быстрее, чем считалось ранее, говорят ученые

Вселенная расширяется быстрее, чем считалось ранее, и ученые не совсем понимают, почему.

В недавнем исследовании, которое должно быть опубликовано в специальном выпуске журнала The Astrophysical Journal, говорится, что новые результаты более чем в два раза превышают предыдущую выборку маркеров космических расстояний, используемых для измерения расширения Вселенной.

Лауреат Нобелевской премии Адам Рисс из Научного института космического телескопа (STScI) и его команда вместе с Университетом Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, «повторно проанализировали все предыдущие данные, и теперь весь набор данных включает более 1000 орбит Хаббла».

Орбиты Хаббла означают количество оборотов космического телескопа Хаббла вокруг Земли, которое использовалось для сбора данных за более чем 20 лет, чтобы получить эти недавние результаты.

«Вы получаете самое точное измерение скорости расширения Вселенной с помощью золотого стандарта телескопов и космических маркеров», — сказал Рисс.

При сравнении измерений предыдущих данных и текущих данных команда Рисса обнаружила, что скорость, с которой Вселенная расширяется, была неправильной.

Согласно данным НАСА, предыдущие измерения предсказывали, что Вселенная расширяется со скоростью 67,5 плюс-минус 0,5 километра в секунду на мегапарсек. Однако команда Рисса показала, что Вселенная на самом деле расширяется на 73 плюс-минус 1 километр в секунду на мегапарсек, что предсказывает, что размер Вселенной удвоится примерно через 10 миллиардов лет.

«Самое смешное, что это не соответствует предсказанию. Это странно, но захватывающе, потому что в науке каждый раз, когда что-то не соответствует вашей модели, у вас есть возможность узнать больше о своей модели или своем понимании», Об этом Рисс рассказал телеканалу FOX.

«Итак, сейчас мы находимся в точке, где не просто не повезло, что они не совпадают друг с другом. Мы сделали слишком много измерений и перепроверили их слишком много, чтобы сказать, что это невезение. Итак, теперь у нас есть чтобы действительно надеть наши мыслительные колпачки и понять, почему вы не можете пройти от начала вселенной до конца с историей, которая соединяет их, и что-то ломается по пути», — добавил Рисс.

Как измеряется расширение Вселенной?

Ученые измеряют расширение Вселенной с помощью постоянной Хаббла (Ho).

При отслеживании роста ребенка можно отметить дверной косяк с указанием роста ребенка, даты и времени. То же самое можно сказать и об измерении скорости расширения Вселенной. Ученые используют космические маркеры миль, такие как далекие галактики и звезды, чтобы отслеживать, как далеко и как быстро расширилась Вселенная.

«Мы должны измерить высоту, что в данном случае означает, как далеко находятся предметы, и отметку времени, которая похожа на измерение чего-то другого, мы называем красным смещением, и в основном это то, как далеко, как быстро предметы расширяются. Итак, в нашем случае трудная часть состоит в том, чтобы измерить, насколько далеко находятся предметы, и мы используем космический телескоп Хаббла, чтобы смотреть на звезды очень, очень далеко, и если мы сможем распознать, что это за звезды, то мы могут знать, насколько яркими они должны быть, а затем, сравнивая это с тем, насколько они слабы на самом деле, говорят нам, насколько далеко они находятся», — объяснил Рисс.

Самое последнее измерение является точным с погрешностью 1 1/2%, что, по словам Рисса, очень точно.

В этом последнем исследовании предполагается, что Вселенная расширяется с постоянной Хаббла, равной 73 плюс-минус 1 километр в секунду на мегапарсек.

Новый вид физики

По словам Рисса, это новейшее несоответствие не так уж и плохо. На самом деле, это открывает целый новый путь возможностей для расширения наших знаний о том, что происходит в этом большом расширении тьмы, усеянном галактиками.

Нынешняя гипотеза о том, почему цифры не совпадают в отношении того, как быстро расширяется Вселенная, может быть связана с тем, что существует новый тип физики, о котором ученые не знают.

Некоторые примеры более новой физики, открытые в последние годы, включают темную материю и темную энергию.

По словам Рисса, пока 96% Вселенной состоит из темных и неизвестных частей. Темная материя составляет около 30%, а темная энергия составляет от 65% до 70%.

В то время как Рисс сказал, что нет полной уверенности в том, чем может быть эта новая физика, и, поскольку это всего лишь гипотеза, необходимо провести дополнительные исследования, и это всегда интересно.

«Я склоняюсь к тому, что есть почти два типа людей: те, кто полностью очарован тайной того, что там, откуда мы пришли, из чего состоит Вселенная, как она началась, сколько ей лет; что произойдет; какое место мы вписываемся во все это? И эти люди сразу понимают: «Вау, это действительно глубоко».