Куда ты торопишься? Вселенная расширяется быстрее, чем мы думали: как ученые гоняются за решением одной из главных проблем космологии

Предположительно, именно он и вносит эту сумятицу в подсчеты. Но обо всем по порядку.

Что мы знаем о расширении Вселенной?

Общая теория относительности и теория Большого взрыва гласят, что Вселенная начала расширяться из сверхплотной и сверхгорячей точки — сингулярности. Пока что мы не можем ответить на вопрос, действительно ли весь мир был заключен в сингулярность или Вселенная существовала постоянно. Однако в чем мы уверены на 100%, так это в том, что наш мир становится больше с каждой секундой.

Первым об этом заговорил американский астроном Эдвин Хаббл. В начале ХХ века он доказал, что Млечный Путь — не единственная галактика во Вселенной. Со временем он пришел к своему самому известному открытию — галактики не просто существуют, а удаляются друг от друга.

Основу для закона Хаббла, который описывает космологическое расширение Вселенной, в свое время заложил другой астрофизик — Артур Эддингтон. Он предположил, что этот процесс можно проследить по астрономическим объектам — чем дальше космическое тело находится от нас изначально, тем быстрее оно будет удаляться.

Сейчас космологическое расширение Вселенной описывают через постоянную Хаббла. Однако постоянная Хаббла на самом деле никакая не постоянная — ученые неутомимо уточняют ее и пересчитывают, из-за чего мы до сих пор не можем прийти к единому показателю скорости расширения Вселенной.

Трудности подсчетов

В 1990-м году, когда космический телескоп Хаббл отправился бороздить просторы Вселенной, скорость расширения Вселенной была настолько неопределенной, что наш мир, по мнению ученых, мог существовать как 8, так и 20 млрд лет. Спустя 30 лет работы мы уточнили не только возраст Вселенной, но и сузили скорость ее расширения до точности примерно в 1%.

Существует большое количество разных методов определения этого показателя, среди которых выделяют два основных:

• Сначала определяется расстояние до ближайших видимых астрономических объектов, а также скорость их удаления. Обычно этим ориентиром выступают звезды. На основе этих данных ученые измеряют расстояния до удаленных объектов. Однако этот метод ограничен исключительно ближайшими из них — чем дальше находится космическое тело, тем сложнее точно оценить расстояние до него.
• Моделирование реликтового излучения, которое также называют космологическим микроволновым фоном — теплового излучения, появившегося приблизительно через 380 тыс. лет после Большого взрыва и которое теперь равномерно заполняет всю Вселенную. Именно оно является нашим практически единственным источником знаний о ранней Вселенной.

Проблема возникает, когда вы попытаетесь сравнить полученные результаты.

В 2013 году постоянная Хаббла составляла 67,8 (км/с)/мегапарсерк (один парсек = 3,26 световых лет или 30,8 трлн км). Это означает, что скорость расширения Вселенной увеличивается на 67,8 км/с каждые 30,8 трлн км.

В 2016 году скорость ее расширения немного «замедлили» после получения предварительных результатов европейского спутника «Планк», который изучал реликтовое излучение Вселенной, — до 66,93 (км/с)/мегапарсек. Чуть позднее эти показатели уточнили — постоянная Хаббла составляла 67,36 (км/с)/мегапарсек.

В августе 2019-го астрофизики использовали скопление звезд-цефеидов в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии около 7 тыс. световых лет от нас для определения постоянной Хаббла. Эти звезды удобны тем, что постоянно «мигают» — именно благодаря этому мерцанию ученые могут рассчитать скорость, с которой цефеиды отдаляются от Земли. Тогда ученые пришли к выводу, что постоянная Хаббла составляет 73,4 (км/с)/мегапарсерк, что значительно «ускорило» расширение Вселенной.

Однако исследователи сразу уточнили, что их подсчеты также могут быть неверными, ведь цефеиды могут иметь разный состав, а также менять свою яркость в зависимости от своего возраста.

Чтобы проверить своих коллег, исследовательская команда под названием Pantheon+ изучила данные по 1701 сверхновой типа Ia, собранные за почти 40 лет наблюдений. Энрико Ринальди, научный сотрудник отдела физики Мичиганского Университета, объяснил, что ученым необходим какой-то единый «стандарт» — какой-нибудь показатель с большой выборкой, чтобы не пересчитывать постоянно данные, основываясь на разных показателях и источниках.

Согласно их подсчетам, постоянная Хаббла составляла 75,4 (км/с)/мегапарсерк. Однако у них был еще один интересный вывод, о которым мы расскажем немного позднее.

В общем, ученые пока что не могут прийти к какой-то единой цифре. Это несоответствие получило название напряжение Хаббла (Hubble tension) — многие ученые считают это одной из главных проблем космологии, ведь ее решение может привести нас к совершенно новым космическим ингредиентам.

Последнее крупное обновление постоянной Хаббла предоставила коллаборация ученых называющаяся SHOES под руководством Нобелевского лауреата Адама Рисса из Института исследований космоса с помощью космического телескопа и Университета Джона Хопкинса. Они изучили все существующие на данный момент данные, собранные телескопом Хаббл, а также огромную выборку различных маркеров космических расстояний, и пришли к выводу, что постоянная Хаббла составляет 73±1 (км/с)/мегапарсерк.

Рисс отметил, что у его команды была полная выборка всех сверхновых, которые фиксировал Хаббл за всю историю своей работы. Фактически, объясняет ученый, команда пришла к максимально возможной точности в измерении постоянной Хаббла.

Придем ли мы когда-нибудь к общему знаменателю?

Астрофизики постоянно пытаются изобрести новые способы измерения постоянной Хаббла, которые не зависели бы от старых подходов.

Венди Фридман, астроном из Чикагского университета исследовала не пульсирующие звезды, а определенную группу Красных гигантов, которые более предсказуемы в своем поведении. Их можно сравнить с лампочками — зная ее мощность, вы понимаете, как она будет светить. Проблема в том, что существует только три достаточно близких к Млечному Пути галактики, расстояние до которых мы можем измерить без особых проблем.

Подсчеты Фридман привели ее к усредненному результату по сравнению с предыдущими подходами — 69,8 (км/с)/мегапарсерк.

Еще одно потенциальное решение напряжения Хаббла — гравитационные волны. Открытые совсем недавно, эти изменения гравитационного поля пространства-времени возникают вследствие самых экстремальных событий во Вселенной вроде столкновения нейтронных звезд или черных дыр.

Ученые надеются, что подробные изучения этих космических аварий подарят нам ответы на огромное количество актуальных вопросов, в том числе и помогут решить загадку скорости расширения Вселенной. Благодаря мощности этих событий, астрофизики смогут фиксировать их точное местоположение и расстояние до Земли.

Однако ученые не рассчитывают получить окончательный ответ в ближайшее время. Мощностей современных детекторов гравитационных волн недостаточно, чтобы улавливать необходимое количество событий, чтобы поставить точку в этом вопросе. Однако уже к 2030-му году детекторы LIGO и Virgo получат необходимые обновления — и тогда охота за гравитационными волнами заиграет новыми красками.

Тем не менее, команда американских ученых в феврале 2021 года проанализировала событие GW190521 — гравитационно-волновой всплеск, возникший из-за слияния двух черных дыр звездной массы. Мы писали об этом событии ранее, поскольку в результате этого слияния могла получиться черная дыра промежуточной массы, которую мы до сих пор никогда не обнаруживали. Почитайте подробнее об этом здесь.

Так вот, ученые уверены, что это события становится отправной точкой для уточнения постоянной Хаббла при помощи гравитационных волн. Их подсчеты показали, что коэффициент равен приблизительно 68,8 (км/с)/мегапарсерк. Результат очень похож на то, что получилось у команды Фридман, а потому многие исследователи позитивно отреагировали на эти две недавних работы. Вполне возможно, что правильный ответ действительно будет близок к этим цифрам.

Проблема решена?

Существует еще одно интересное предположение — постоянная Хаббла на самом деле является непостоянной, и меняется не из-за ошибок ученых или влияния неизвестных компонентов, а просто потому, что в разные периоды своего развития Вселенная расширялась с разной скоростью.

Это предположение выдвинули ученые, анализировавшие постоянную Хаббла, наблюдая за сверхновыми типа la — об их исследовании мы рассказывали чуть выше. Энрико Ринальди со своей командой распределили звезды в разные группы — чем ближе звезды к Земле, тем они моложе, поскольку их еще не унесло расширением Вселенной.

По мнению ученых, если бы постоянная Хаббла действительно была константой, то она не отличалась бы от группы к группе. Однако, результат оказался противоположным — согласно полученным данным, каждый набор звезд имел свой уровень красного смещения, что означало разную постоянную Хаббла для разных групп звезд.

Сразу два независимых исследования (раз, два) предполагают, что «новой физикой» — тем самым неизвестным компонентом космоса, который вносит сумятицу в подсчеты ученых — является ранняя темная энергия. По своим свойствам она якобы отличается от обычной темной энергии — гипотетический вид энергии, который, по общепринятому мнению, отвечает за нынешнее расширение Вселенной. По их подсчетам, ранняя темная энергия исчезла, просуществовав несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва, из-за чего мы и не можем ее обнаружить, однако постепенно «натыкаемся» во время исследований.

Ранняя темная энергия не могла быть достаточно сильной, чтобы вызывать такое же ускоренное расширение Вселенной, как обычная темная энергия. Тем не менее, именно она повлияла на реликтовое излучение, по которому ученые сейчас пытаются вычислить постоянную Хаббла, охладив первую материю, появившуюся в мире в первые секунды после Большого взрыва.

Оба исследования показали, что существующие данные о реликтовом излучении намного лучше укладываются в модель с ранней темной энергией. Если брать за основу эту гипотезу, то Вселенная намного моложе, чем считается сейчас — и ей не 13,8 млрд лет, а «всего лишь» 12,4 млрд лет.

Международная команда астрофизиков под руководством Стива Родни из Университета Южной Каролины уверена — мы получим точный ответ приблизительно к 2037 году. Поможет им в этом звезда, которая взорвалась около 10 млрд лет назад в галактике MRG-M0138.

Высчитав, как гравитация галактик искривляет свет, Родни с коллегами предположили, что следующая сверхновая может появиться приблизительно в 2037 году. По этому свету ученые смогут сравнить расстояние до галактики, в которой находилась звезда. Чем позднее появятся следы взрыва, тем дальше находится родительская галактика — это будет значить, что постоянная Хаббла ниже, а Вселенная на самом деле намного старше, чем мы считаем. Так что если через 15 лет мы до сих пор не получим ответ, с какой же скоростью расширяется Вселенная, у нас останется надежда на умирающую звезду, последние мгновения жизни которой подарят нам ответ на одну из неразгаданных тайн нашего мира.

«Кажется, Вселенная преподносит нам много сюрпризов, и это хорошо, потому что это помогает нам учиться», — говорит Рисс. — «На самом деле меня не волнует конкретное значение расширения; мне нравится использовать его для изучения Вселенной».