«В конце концов, конфликта может и не быть» в дебатах о расширяющейся вселенной

Наша Вселенная расширяется, но два наших основных способа измерить, насколько быстро это расширение происходит, дали разные ответы. За последнее десятилетие астрофизики постепенно разделились на два лагеря: один считает, что разница значительна, а другой считает, что это может быть связано с ошибками в измерениях.

Если окажется, что ошибки вызывают несоответствие, это подтвердит нашу основную модель того, как работает Вселенная. Другая возможность представляет собой нить, которая, если ее потянуть, предполагает, что для того, чтобы снова сшить ее вместе, требуется некоторая фундаментальная недостающая новая физика. В течение нескольких лет каждое новое свидетельство, полученное с помощью телескопов, раскачивало аргументы взад и вперед, вызывая то, что было названо «напряжением Хаббла».

Венди Фридман, известный астроном и профессор астрономии и астрофизики Университета Джона и Мэрион Салливан в Чикагском университете, провела несколько первоначальных измерений скорости расширения Вселенной, которые привели к более высокому значению постоянной Хаббла. Но в новой обзорной статье, принятой в Astrophysical Journal , Фридман дает обзор самых последних наблюдений. Ее вывод: последние наблюдения начинают сокращать разрыв.

То есть конфликта все-таки может и не быть, и наша стандартная модель Вселенной не нуждается в значительных изменениях.

Скорость, с которой расширяется Вселенная, называется постоянной Хаббла, названной в честь выпускника Университета Чикаго Эдвина Хаббла, SB 1910, доктора философии 1917 года, которому приписывают открытие расширения Вселенной в 1929 году. Ученые хотят точно определить эту скорость, потому что постоянная Хаббла связана с возрастом Вселенной и тем, как она менялась с течением времени.

Существенная складка появилась в последнее десятилетие, когда результаты двух основных методов измерения начали расходиться. Но ученые все еще спорят о значении несоответствия.

Один из способов измерить постоянную Хаббла — посмотреть на очень слабый свет, оставшийся от Большого взрыва, который называется космическим микроволновым фоном. Это было сделано как в космосе, так и на земле с помощью таких объектов, как Южнополярный телескоп под руководством Калифорнийского университета в Чикаго. Ученые могут внести эти наблюдения в свою «стандартную модель» ранней Вселенной и прогнать ее вперед во времени, чтобы предсказать, какой должна быть постоянная Хаббла сегодня; они получают ответ 67,4 километра в секунду на мегапарсек.

Другой метод — посмотреть на звезды и галактики в ближайшей Вселенной, измерить их расстояния и скорость их удаления от нас. Фридман был ведущим специалистом по этому методу на протяжении многих десятилетий; В 2001 году ее команда провела одно из знаковых измерений с помощью космического телескопа Хаббл для изображения звезд, называемых цефеидами. Они нашли значение 72. С тех пор Фридман продолжал измерять цефеиды, каждый раз просматривая все больше данных телескопа; однако в 2019 году она и ее коллеги опубликовали ответ, основанный на совершенно другом методе с использованием звезд, называемых красными гигантами. Идея заключалась в том, чтобы перепроверить цефеиды независимым методом.

Красные гиганты — очень большие и светящиеся звезды, которые всегда достигают одной и той же максимальной яркости, прежде чем быстро угаснуть. Если ученые могут точно измерить фактическую или внутреннюю пиковую яркость красных гигантов, они смогут затем измерить расстояния до их родительских галактик, что является важной, но сложной частью уравнения. Ключевой вопрос — насколько точны эти измерения.

В первой версии этого расчета в 2019 году для калибровки светимости красных гигантских звезд использовалась одна очень близкая галактика. За последние два года Фридман и ее сотрудники провели подсчеты для нескольких различных галактик и звездных популяций. «В настоящее время существует четыре независимых способа калибровки светимости красных гигантов, и они согласуются с точностью до 1% друг от друга», — сказал Фридман. «Это указывает на то, что это действительно хороший способ измерения расстояния».

«Я действительно хотел внимательно посмотреть и на цефеид, и на красных гигантов. Я хорошо знаю их сильные и слабые стороны», — сказал Фридман. «Я пришел к выводу, что нам не нужна фундаментальная новая физика для объяснения различий в скорости локального и удаленного расширения. Новые данные о красных гигантах показывают, что они согласованы».

Аспирант Чикагского университета Тейлор Хойт, который проводил измерения звезд красных гигантов в якорных галактиках, добавил: «Мы продолжаем измерять и тестировать звезды ветви красных гигантов разными способами, и они продолжают превосходить наши ожидания».

Значение постоянной Хаббла, полученное командой Фридмана от красных гигантов, составляет 69,8 км / с / Мпк — практически то же самое, что и значение, полученное в эксперименте с космическим микроволновым фоном. «Никакой новой физики не требуется», — сказал Фридман.

Расчеты с использованием звезд цефеид по-прежнему дают более высокие цифры, но, согласно анализу Фридмана, разница может не вызывать беспокойства. «Звезды цефеиды всегда были немного шумнее и их было немного сложнее понять; это молодые звезды в активных областях звездообразования галактик, а это означает, что есть вероятность, что такие вещи, как пыль или загрязнения от других звезд, могут выбрасываться. ваши измерения «, — объяснила она.

По ее мнению, конфликт можно разрешить с помощью более точных данных.

В следующем году, когда ожидается запуск космического телескопа Джеймса Уэбба, ученые начнут собирать эти новые наблюдения. Фридман и его сотрудники уже получили время на телескопе для крупной программы по проведению большего количества измерений как цефеид, так и звезд красных гигантов. «Webb даст нам более высокую чувствительность и разрешение, и данные станут лучше, очень, очень скоро», — сказала она.

Но в то же время она хотела внимательно изучить существующие данные, и то, что она обнаружила, было в том, что большая часть из них действительно согласуется.

«Так развивается наука», — сказал Фридман. «Вы пинаете шины, чтобы увидеть, не сдувается ли что-нибудь, и пока что нет спущенных шин».

Некоторые ученые, которые болели за фундаментальное несоответствие, могут быть разочарованы. Но для Фридмана любой ответ интересен.

«Есть еще место для новой физики, но даже если его нет, это покажет, что стандартная модель, которая у нас есть, в основном верна, что также является серьезным выводом, к которому следует прийти», — сказала она. «Это интересно в науке: мы не знаем ответов заранее. Мы учимся по ходу дела. Это действительно захватывающее время для работы в этой области».