В 1920-х годах Эдвин Хаббл сделал новаторское открытие, что Вселенная находится в состоянии расширения. Первоначально предсказанное как следствие теории общей теории относительности Эйнштейна, это подтверждение привело к тому, что стало известно как константа Хаббла. За прошедшие десятилетия и благодаря применению телескопов следующего поколения, таких как метко названный Космический телескоп Хаббл (HST), ученые были вынуждены пересмотреть этот закон.
Короче говоря, в последние несколько десятилетий способность видеть дальше в космос (и глубже во времени) позволила астрономам проводить более точные измерения того, как быстро расширялась ранняя Вселенная. И благодаря новому исследованию, выполненному с использованием Хаббла, международная команда астрономов смогла провести самые точные измерения скорости расширения Вселенной на сегодняшний день.
Это исследование было проведено командой Supernova H0 для команды Equation of State (SH0ES), международной группы астрономов, которая с 2005 года пытается улучшить точность постоянной Хаббла. Группу возглавляет Адам Рейс из Космоса Научно-исследовательский институт телескопов (STScI) и Университет Джона Хопкинса, в состав которого входят члены Американского музея естественной истории, Института Нилса Бора, Национальной оптической астрономической обсерватории и многих престижных университетов и исследовательских институтов.
Исследование, которое описывает их результаты, недавно появилось в Астрофизический Журнал под названием «Тип Ia расстояния сверхновых на Redshift> 1,5 от Космический телескоп Хаббл Многоцикловые казначейские программы: скорость раннего расширения ». Ради их изучения и в соответствии с их долгосрочными целями команда стремилась построить новую и более точную «дистанционную лестницу».
Этот инструмент показывает, как астрономы традиционно измеряют расстояния во Вселенной, что основывается на использовании маркеров расстояний, таких как переменные Цефеиды, - пульсирующих звезд, расстояние между которыми можно определить, сравнивая их собственную яркость с их кажущейся яркостью. Затем эти измерения сравниваются со способом красного смещения света от удаленных галактик, чтобы определить, насколько быстро расширяется пространство между галактиками.
Отсюда и получается постоянная Хаббла. Чтобы построить свою далекую лестницу, Рисс и его команда провели измерения параллакса с помощью широкоугольной камеры 3 Хаббла (WFC3) из восьми недавно проанализированных переменных звезд Цефеиды в Млечном Пути. Эти звезды находятся примерно в 10 раз дальше, чем любые ранее изученные - между 6000 и 12000 световых лет от Земли - и пульсируют с более длительными интервалами.
Чтобы обеспечить точность, которая бы учитывала колебания этих звезд, команда также разработала новый метод, при котором Хаббл будет измерять положение звезды тысячу раз в минуту каждые шесть месяцев в течение четырех лет. Затем команда сравнила яркость этих восьми звезд с более отдаленными цефеидами, чтобы убедиться, что они могли с большей точностью рассчитать расстояния до других галактик.
Используя новую технику, Хаббл смог зафиксировать изменение положения этих звезд относительно других, что значительно упростило ситуацию. Как пояснил Рисс в пресс-релизе НАСА:
«Этот метод позволяет многократно измерять очень малые смещения из-за параллакса. Вы измеряете расстояние между двумя звездами не только в одном месте на камере, но и много раз, уменьшая погрешности измерений ».
По сравнению с предыдущими исследованиями команда смогла увеличить количество анализируемых звезд до расстояний до 10 раз. Однако их результаты также противоречили результатам, полученным спутником Planck Европейского космического агентства (ESA), который измерял космический микроволновый фон (CMB) - остаточное излучение, созданное Большим взрывом - с момента его развертывания в 2009 году.
Составив карту CMB, Планк смог проследить расширение космоса во время ранней Вселенной - около. 378 000 лет после Большого взрыва. Согласно результатам, полученным Планком, значение постоянной Хаббла теперь должно составлять 67 километров в секунду на мегапарсек (3,3 миллиона световых лет) и может быть не выше 69 километров в секунду на мегапарсек.
Основываясь на их оценке, команда Рисса получила значение 73 километра в секунду на мегапарсек, что составляет 9%. По сути, их результаты показывают, что галактики движутся с более высокой скоростью, чем те, которые подразумевают наблюдения ранней Вселенной. Поскольку данные Хаббла были настолько точными, астрономы не могут отклонить разрыв между этими двумя результатами как ошибки в любом отдельном измерении или методе. Как объяснил Рейсс:
«Сообщество действительно борется с пониманием смысла этого несоответствия ... Оба результата были проверены несколькими способами, поэтому исключается ряд несвязанных ошибок. все более вероятно, что это не ошибка, а особенность вселенной ».
Таким образом, эти последние результаты предполагают, что во Вселенной может работать какая-то неизвестная ранее сила или какая-то новая физика. С точки зрения объяснений, Рейсс и его команда предложили три возможности, каждая из которых связана с 95% Вселенной, которую мы не можем видеть (т.е. темная материя и темная энергия). В 2011 году Рейсс и двое других ученых были удостоены Нобелевской премии по физике за открытие в 1998 году ускоренной скорости расширения Вселенной.
В соответствии с этим, они предполагают, что Темная Энергия может раздвигать галактики с возрастающей силой. Другая возможность состоит в том, что существует неоткрытая субатомная частица, которая похожа на нейтрино, но взаимодействует с нормальной материей под действием силы тяжести, а не субатомных сил. Эти «стерильные нейтрино» будут перемещаться со скоростью, близкой к скорости света, и в совокупности их можно будет назвать «темное излучение».
Любая из этих возможностей будет означать, что содержание ранней Вселенной было другим, что заставило бы пересмотреть наши космологические модели. В настоящее время у Рисса и его коллег нет ответов, но они планируют продолжить точную настройку своих измерений. Пока что команда SHoES снизила неопределенность константы Хаббла до 2,3%.
Это соответствует одной из главных целей космического телескопа Хаббла, которая заключалась в том, чтобы помочь уменьшить значение неопределенности в константе Хаббла, для которого оценки однажды варьировались в 2 раза.
Таким образом, хотя это несоответствие открывает двери для новых и сложных вопросов, оно также существенно снижает нашу неопределенность, когда дело доходит до измерения Вселенной. В конечном счете, это улучшит наше понимание того, как развивалась Вселенная после того, как она была создана в огненном катаклизме 13,8 миллиардов лет назад.
