Астрономы использовали космические телескопы «Джеймс Уэбб» и «Хаббл», чтобы подтвердить одну из самых тревожных загадок во всей физике: Вселенная, похоже, расширяется с поразительно разными скоростями в зависимости от того, куда мы смотрим.
Эта проблема, известная как напряжение Хаббла, потенциально может изменить или даже полностью перевернуть космологию. В 2019 году измерения космического телескопа «Хаббл» подтвердили, что загадка реальна; в 2023 году ещё более точные измерения космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) закрепили это несоответствие.
Теперь же тройная проверка, проведённая обоими телескопами, работающими вместе, похоже, навсегда устранила возможность любой ошибки измерения. Исследование, опубликованное 6 февраля в Astrophysical Journal Letters, предполагает, что с нашим пониманием Вселенной может быть что-то серьёзно не так.
«Теперь, когда ошибки измерений сведены на нет, остаётся реальная и захватывающая возможность того, что мы неправильно понимали Вселенную», — говорится в заявлении ведущего автора исследования Адама Рисса (Adam Riess), профессора физики и астрономии Университета Джона Хопкинса.
Рисс, Сол Перлмуттер (Saul Perlmutter) и Брайан П. Шмидт (Brian P. Schmidt) получили Нобелевскую премию по физике 2011 года за открытие в 1998 году тёмной энергии — таинственной силы, стоящей за ускоряющимся расширением Вселенной.
В настоящее время существует два метода «золотого стандарта» для определения постоянной Хаббла, величины, которая описывает скорость расширения Вселенной. Первый включает в себя изучение крошечных колебаний космического микроволнового фона (CMB) — древнего реликта первого света во Вселенной, возникшего всего через 380 тысяч лет после Большого взрыва.
В период с 2009 по 2013 год астрономы нанесли этот микроволновый туман на карту с помощью спутника «Планк» Европейского космического агентства и пришли к выводу, что постоянная Хаббла составляет примерно 46 200 миль в час на миллион световых лет, или примерно 67 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк).
Второй метод использует пульсирующие звёзды, называемые переменными цефеидами. Звёзды-цефеиды умирают, а их внешние слои газообразного гелия растут и сжимаются, поглощая и выделяя излучение звезды, заставляя их периодически мерцать, как далёкие сигнальные лампы.
По мере того как цефеиды становятся ярче, они пульсируют медленнее, что дает астрономам возможность измерить их абсолютную яркость. Сравнивая эту яркость с наблюдаемой яркостью, астрономы могут связать цефеиды в «лестницу космических расстояний», чтобы ещё глубже заглянуть в прошлое Вселенной. Имея такую лестницу, астрономы могут определить точную величину её расширения, исходя из того, насколько свет цефеид был вытянут или смещён в сторону красного цвета.
Но вот тут-то и начинается сама загадка. Согласно измерениям переменных цефеид, проведённым Риссом и его коллегами, скорость расширения Вселенной составляет около 74 км/с/Мпк: невероятно высокое значение по сравнению с измерениями Планка. В этом случае космология была заброшена на неизведанную территорию.
«Мы бы не назвали это напряжением или проблемой, а скорее кризисом», — сказал Дэвид Гросс (David Gross), астроном, лауреат Нобелевской премии, на конференции 2019 года в Институте теоретической физики Кавли (KITP) в Калифорнии.
Изначально некоторые учёные полагали, что несоответствие может быть следствием ошибки измерения, вызванной смешиванием цефеид с другими звёздами в апертуре «Хаббла». Но в 2023 году исследователи использовали более точный JWST, чтобы подтвердить, что для первых нескольких «ступеней» космической лестницы их измерения с помощью «Хаббла» были верными. Тем не менее, возможность скопления в более далёком прошлом Вселенной оставалась.
Чтобы решить эту проблему, Рисс и его коллеги опирались на свои предыдущие измерения, наблюдая ещё 1000 звёзд-цефеид в пяти родительских галактиках, находящихся на расстоянии 130 миллионов световых лет от Земли. Сравнив свои данные с данными «Хаббла», астрономы подтвердили свои прошлые измерения постоянной Хаббла.
«Теперь мы охватили всю область, которую наблюдал «Хаббл», и с большой уверенностью можем исключить ошибку измерения в качестве причины «напряжения Хаббла», — сказал Рисс. — Объединение «Уэбба» и «Хаббла» даёт нам лучшее из обоих миров. Мы обнаруживаем, что измерения «Хаббла» остаются надёжными по мере того, как мы поднимаемся всё выше по лестнице космических расстояний.»
Другими словами, напряжение, лежащая в основе космологии, никуда не денется.
