«Я хочу понять, почему наши лучшие инструменты — наши инструменты золотого стандарта — не согласуются друг с другом».
Combined observations from NASA’s NIRCam (Near-Infrared Camera) and Hubble’s WFC3 (Wide Field Camera 3) show spiral galaxy NGC 5584, which resides 72 million light-years away from Earth. (Image credit: Future) / Объединенные наблюдения NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) НАСА и WFC3 Хаббла (широкоугольная камера 3) показывают спиральную галактику NGC 5584, которая находится на расстоянии 72 миллионов световых лет от Земли. (Фото предоставлено: Будущее)
Одна из самых масштабных и жарких космических дискуссий нашего времени связана со своеобразной дилеммой с довольно броским названием: напряженность Хаббла.
Эта фраза описывает тот факт, что, хотя ученые знают, что космос постоянно расширяется во всех направлениях — поскольку мы можем ясно видеть, как звезды и галактики со временем удаляются от нас все дальше и дальше, — они не могут точно определить скорость, с которой происходит это расширение. (И, кстати, скорость ускоряется — поразительное открытие, сделанное астрономами в конце 1990-х годов, которое частично может быть связано с существованием темной энергии.)
Это оставляет нас с довольно серьезной пропастью в нашем понимании Вселенной.
В попытке разобраться в этом, во вторник (сентябрь. 12) исследователи объявили, что космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) впервые проанализировал ситуацию, но это не раскрыло тайну. На самом деле, JWST фактически сгустил краски.
Но сначала давайте поговорим о том, как мы сюда попали.
Итак, в чем проблема с расчетом ставки?
По сути, устранение напряженности Хаббла раз и навсегда зависит от определения истинного значения постоянной Хаббла, которая является решающим числом при расчете скорости расширения Вселенной. Однако, по какой-то причине, наши теоретические предсказания относительно константы, по-видимому, не совпадают с реальностью.
Согласно большинству моделей, постоянная Хаббла должна равняться примерно 68 километрам в секунду на мегапарсек (км/с/Пдк). Один мегапарсек равен 1000 парсекам, или примерно 3260 световым годам, для контекста. Но после сканирования звезд и галактик по всей нашей вселенной некоторые эксперты подсчитали, что постоянная составляет 69,8 км/с/Пдк, в то время как другие считают, что она достигает 74 км/с/Пдк, в зависимости от метода измерения. Третьи предложили решения, которые находятся между этими двумя.
Потенциально это расхождение либо говорит о том, что наши приборы недостаточно интеллектуальны, либо, возможно, мы ужасно ошибаемся в этом теоретическом предсказании. Другими словами, возможно, в моделях, которые в настоящее время определяют наше понимание Вселенной, чего-то не хватает?
В 2019 году ряд известных физиков даже, как известно, собрались в Институте теоретической физики Кавли в Калифорнии, чтобы официально попытаться разрешить ситуацию. Это закончилось головной болью. Как выразился физик элементарных частиц Дэвид Гросс, бывший директор KITP: «Мы бы назвали это не напряженностью или проблемой, а скорее кризисом». И с тех пор ученые продолжают усердно выяснять, где они могли ошибиться, вычеркивая возможные объяснения напряженности Хаббла из списка, с которым вы можете ознакомиться здесь.
Что подводит нас к сегодняшнему дню.
Возвращаясь к результатам JWST: Космическая обсерватория вычеркнула из этого списка еще один пункт. В двух словах, это показало, что так называемый кризис, вероятно, вызван не техническими проблемами с измерениями, выполненными его братом-телескопом, который может похвастаться очень подходящим названием: космический телескоп Хаббла. (Еще в 1920-х годах американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется.)
Это большое дело, потому что наблюдения Хаббла являются одной из наиболее распространенных характеристик, которые ученые используют для расшифровки постоянной Хаббла — или, более конкретно, наблюдения Хабблом звезд Цефеид.
«Измерения Уэбба пока являются самым убедительным доказательством того, что систематические ошибки в фотометрии цефеид Хаббла не играют существенной роли в нынешнем напряжении Хаббла», — говорится в заявлении Адама Рисса из Университета Джона Хопкинса и Научного института космического телескопа.
«Я прикрою твою спину, Хаббл», — сказал первый (вероятно)
Хаббл — это ключевое устройство, используемое для определения напряженности Хаббла, поскольку оно способно измерять яркость звезд с невероятной точностью. Это потому, что он расположен над размытой атмосферой Земли, в отличие от наземных обсерваторий, которым мешает туманный щит нашей планеты. Такая яркость может сказать нам, как далеко находятся эти звезды, и, поскольку мы знаем неизменную скорость света, как долго этот свет путешествовал, чтобы достичь нас. После некоторых вычислений ученые пришли к выводу, что такого рода информация, полученная от большого количества звезд, должна помочь нам вычислить постоянную Хаббла.
«До запуска «Хаббла» в 1990 году, — объяснил Рисс, — скорость расширения Вселенной была настолько неопределенной, что астрономы не были уверены, расширялась ли Вселенная в течение 10 миллиардов или 20 миллиардов лет».
Кроме того, есть одна особая звезда, на которой ученым нравится фокусироваться с помощью «Хаббла», чтобы определить скорость расширения Вселенной: Цефеиды. Это сверхгигантские звезды, светимость которых примерно в 100 000 раз превышает яркость нашего солнца.
«Они являются инструментом золотого стандарта для измерения расстояний до галактик на расстоянии ста миллионов и более световых лет», — сказал Рисс, назвав такие измерения «решающим шагом для определения постоянной Хаббла».
Рисс также упомянул, что цефеиды пульсируют — расширяются и сокращаются в размерах, — что указывает на их относительную яркость. Чем дольше период, объяснил он, тем они ярче по своей сути – и это хорошо, потому что обеспечивает базовую яркость и, в конечном счете, более точные измерения.
Итак, благодаря расположению Хаббла над нашей атмосферой телескоп может идентифицировать отдельные цефеиды в галактиках, удаленных более чем на сто миллионов световых лет, измеряя таким образом временной интервал, в течение которого эти галактики меняют свою яркость.
Но у «Хаббла» есть свои ограничения.
This diagram illustrates the combined power of the Hubble and Webb space telescopes in nailing down precise distances to a special class of variable star that is used in calibrating the expansion rate of the universe. (Image credit: NASA. ESA, J. Kang (STScI). Science: A. Riess (STScI)) / Эта диаграмма иллюстрирует объединенную мощь космических телескопов «Хаббл» и «Уэбб» в определении точных расстояний до особого класса переменных звезд, которые используются для калибровки скорости расширения Вселенной. (Фото предоставлено НАСА. ЕКА, Дж. Кан (STScI). Наука: А. Рисс (STScI))
Он недостаточно чувствителен к длинам волн инфракрасного излучения, которые находятся за пределами красной части электромагнитного спектра и остаются невидимыми для человеческого глаза. «К сожалению, — сказал Рисс, — зрение Хаббла в красном свете не такое острое, как в синем, поэтому свет звезды Цефеиды, который мы там видим, смешивается с другими звездами в поле его зрения».
Инфракрасное зрение важно при разглядывании удаленных объектов, потому что, прежде всего, свет, исходящий от удаленных источников, растягивается на пути к нашей наблюдательной точке на Земле. Некогда узкие голубоватые длины волн превращаются в более длинные красноватые. На самом деле именно отсюда происходит термин «галактики с красным смещением», обозначающий области, расположенные глубже к этому концу спектра с нашей наземной точки зрения.
И, во-вторых, только инфракрасный свет способен проходить сквозь пыль невредимым, а это означает, что если бы Цефеида застряла за пеленой межзвездного вещества, она показалась бы нам более слабой. Это чревато тем, что ее свет смешается, например, со светом другой Цефеиды, находящейся поблизости, или будет казаться, что звезда находится дальше, чем она есть на самом деле.
«Мы можем статистически рассчитать среднее количество смеси точно так же, как врач вычисляет ваш вес, вычитая средний вес одежды из показаний весов», — сказал Рисс. «Но это добавляет шума к измерениям. Одежда некоторых людей тяжелее, чем у других.»
Войдите в космический телескоп Джеймса Уэбба. Эта обсерватория стоимостью 10 миллиардов долларов, расположенная почти в 1 миллионе миль (1,6 миллиона километров) от Земли, построена для того, чтобы открыть нам инфракрасную вселенную.
«В первый год работы Webb с нашей программой General Observers program 1685 мы собрали наблюдения Цефеид, обнаруженных Хабблом, на двух ступенях так называемой лестницы космических расстояний», — сказал Рисс.
Первый шаг, по словам команды, включал наблюдение за цефеидами в галактике с известным геометрическим расстоянием для целей калибровки. Этой галактикой была NGC 4258. Вторым шагом было наблюдение за цефеидами в галактиках-хозяевах недавних сверхновых типа Ia, которые представляют собой взрывы ярких звезд, чтобы, по сути, перепроверить правильность наблюдений Хаббла. Если Хаббл ошибался, что ж, возможно, мы наконец-то узнали, почему существует расхождение.
Но наблюдения Хаббла были верны. «JWST, я думаю, действительно в некотором роде забил гвоздь в крышку гроба: была ли проблема с измерениями цефеид Хабблом?» Об этом сказал Рисс, представляя результаты исследования на конференции JWST «Первый год науки» во вторник.
Но примечательно, что исследователь, лауреат Нобелевской премии, не совсем видит в этом кризис, которым он постепенно себя считает.
«Меня не волнует, каким окажется значение постоянной Хаббла», — сказал он во время конференции. «Я хочу понять, почему наши лучшие инструменты — наши инструменты золотого стандарта — не согласуются друг с другом».
Исследование, посвященное этим результатам, было опубликовано в прошлом месяце в базе данных для предварительной печати arXiv. Это исследование еще не прошло экспертную оценку.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать космос, последние миссии, ночное небо и многое другое! И если у вас есть новостная подсказка, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: http://community@space.com.
на фото: Comparison of Cepheid period-luminosity relations used to measure distances. The red points are from Webb and the gray points are from Hubble. The top panel is for NGC 5584, the Type Ia supernova host, with the inset showing image stamps of the same Cepheid seen by each telescope. The bottom panel is for NGC 4258, a galaxy with a known, geometric distance, with the inset showing the difference in distance moduli between NGC 5584 and NGC 4258 as measured with each telescope. (Image credit: NASA, ESA, CSA, J. Kang (STScI). Science: A. Riess (STScI)) / Сравнение соотношений периода Цефеиды и светимости, используемых для измерения расстояний. Красные точки — от Уэбба, а серые — от Хаббла. Верхняя панель предназначена для NGC 5584, звезды-хозяина сверхновой типа Ia, со вставкой, на которой показаны изображения одной и той же Цефеиды, видимой каждым телескопом. Нижняя панель предназначена для NGC 4258, галактики с известным геометрическим расстоянием, со вставкой, показывающей разницу в модулях расстояния между NGC 5584 и NGC 4258, измеренную с помощью каждого телескопа. (Фото предоставлено НАСА, ЕКА, CSA, Дж. Кангом (STScI). Наука: А. Рисс (STScI))