Куди ти поспішаєш? Всесвіт розширюється швидше, ніж ми думали: як вчені ганяються за розв’язанням однієї з головних проблем космології

Імовірно, саме він і вносить це сум’яття до підрахунків. Але про все по черзі.

Що ми знаємо про розширення Всесвіту?

Загальна теорія відносності та теорія Великого вибуху свідчать, що Всесвіт почав розширюватися із надщільної та надгарячої точки — сингулярності. Поки що ми не можемо відповісти на питання, чи справді весь світ був утримувався в сингулярності чи Всесвіт існував постійно. Однак у чому ми впевнені на 100%, то це в тому, що наш світ стає більшим щосекунди.

Першим про це заговорив американський астроном Едвін Хаббл. На початку ХХ століття він довів, що Чумацький Шлях — не єдина галактика у Всесвіті. Згодом він прийшов до свого найвідомішого відкриття — галактики не просто існують, а віддаляються одна від одної.

Основу для закону Хаббла, який описує космологічне розширення Всесвіту, свого часу заклав інший астрофізик Артур Еддінгтон. Він припустив, що цей процес можна прослідкувати за астрономічними об'єктами — що далі космічне тіло від нас спочатку, тим швидше воно віддалятиметься.

Зараз космологічне розширення Всесвіту описують через постійну Хаббла. Однак постійна Хаббла не насправді ніяка не постійна — вчені невтомно уточнюють її і перераховують, через що ми досі не можемо дійти єдиного показника швидкості розширення Всесвіту.

Труднощі підрахунків

У 1990 році, коли космічний телескоп Хаббла відправився мандрувати просторами Всесвіту, швидкість розширення Всесвіту була настільки розпливчастою, що наш світ, за словами вчених, міг би існувати як 8, так і 20 мільярдів років. Після 30 років роботи ми уточнили не лише вік Всесвіту, але й звузили швидкість його розширення до точності близько 1%.

Існує велика кількість різних методів визначення цього показника, серед яких виділяють два основні:

• Спочатку визначається відстань до найближчих видимих астрономічних об'єктів, а також швидкість їх віддалення. Зазвичай цим орієнтиром є зірки. На підставі цих даних вчені вимірюють відстані до віддалених об'єктів. Однак цей метод обмежений виключно найближчими з них — що далі розташоване космічне тіло, то складніше точно оцінити відстань до нього.
• Моделювання реліктового випромінювання, яке також називають космологічним мікрохвильовим фоном — теплового випромінювання, що з’явилося приблизно через 380 тис. років після Великого вибуху і яке тепер рівномірно заповнює весь Всесвіт. Саме воно є нашим практично єдиним джерелом знань про ранній Всесвіт.

Проблема виникає, коли ви спробуєте порівняти отримані результати.

У 2013 році постійна Хаббла становила 67,8 (км/с)/мегапарсерк (один парсек = 3,26 світлових років або 30,8 трлн км). Це означає, що швидкість розширення Всесвіту збільшується на 67,8 км/с кожні 30,8 трлн км.

У 2016 році швидкість його розширення небагато «уповільнили» після отримання попередніх результатів європейського супутника «Планк», який вивчав реліктове випромінювання Всесвіту, — до 66,93 (км/с)/мегапарсек. Трохи пізніше ці показники уточнили — постійна Хаббла становила 67,36 (км/с)/мегапарсек.

У серпні 2019-го астрофізики використали скупчення зірок-цефеїдів у Великій Магеллановій Хмарі на відстані біля 7 тис. світлових років від нас для визначення постійної Хаббла. Ці зірки зручні тим, що постійно «блимають» — саме завдяки цьому мерехтінню вчені можуть розрахувати швидкість, з якою цефеїди віддаляються від Землі. Тоді вчені дійшли висновку, що постійна Хаббла становить 73,4 (км/с)/мегапарсерк, що значно «прискорило» розширення Всесвіту.

Проте дослідники одразу уточнили, що їхні підрахунки також можуть бути помилковими, адже цефеїди можуть мати різний склад, а також змінювати яскравість залежно від свого віку.

Щоб перевірити своїх колег, дослідницька команда під назвою Pantheon+ вивчила дані щодо 1701 наднової типу Ia, зібрані майже за 40 років спостережень. Енріко Рінальді, науковий співробітник відділу фізики Мічиганського Університету, пояснив, що вченим потрібен якийсь єдиний «стандарт» — який-небудь показник з великою вибіркою, щоб не перераховувати постійно дані, ґрунтуючись на різних показниках і джерелах.

За їхніми підрахунками, постійна Хаббла становила 75,4 (км/с)/мегапарсерк. Однак вони мали ще один цікавий висновок, про який ми розповімо трохи пізніше.

Загалом, вчені поки що не можуть дійти якоїсь єдиної цифри. Ця невідповідність отримала назву напруга Хаббла (Hubble tension) — багато вчених вважають це однією з головних проблем космології, адже її рішення може привести до абсолютно нових космічних інгредієнтів.

Над останнім великим оновленням постійної Хаббли працювала колаборація вчених під назвою SHOES під керівництвом Нобелівського лауреата Адама Ріса з Інституту космічних досліджень за допомогою космічного телескопа та університету Джона Хопкінса. Вони вивчали всі існуючі дані, зібрані телескопом Хаббла, а також величезний зразок різних маркерів відстаней простору і дійшли висновку, що постійна Хаббла становить 73±1 (км/с)/мегапаркарк.

Райс зазначив, що його команда мала у своєму розпорядженні список усіх наднових, які Хаббл зафіксував за всю історію своєї роботи. Насправді, пояснює вчений, команда вийшла на максимальну точність у вимірюванні постійної Хаббла.

Чи прийдемо ми колись до спільного знаменника?

Астрофізики постійно намагаються винайти нові способи вимірювання постійної Хаббла, які не залежали б від старих підходів.

Венді Фрідман, астроном з університету Чикаго досліджувала не пульсуючі зірки, а певну групу Червоних гігантів, які більш передбачувані у своїй поведінці. Їх можна порівняти з лампочками — знаючи її потужність, ви розумієте, як вона світитиме. Проблема в тому, що існує лише три досить близькі до Чумацького Шляху галактики, відстань до яких ми можемо виміряти без особливих проблем.

Підрахунки Фрідман привели її до усередненого результату порівняно з попередніми підходами — 69,8 (км/с)/мегапарсерк.

Ще одне потенційне рішення напруги Хаббла — гравітаційні хвилі. Відкриті зовсім нещодавно, ці зміни гравітаційного поля простору-часу виникають внаслідок екстремальних подій у Всесвіті на кшталт зіткнення нейтронних зірок або чорних дір.

Учені сподіваються, що докладні дослідження цих космічних аварій подарують нам відповіді на безліч актуальних питань, зокрема і допоможуть вирішити загадку швидкості розширення Всесвіту. Завдяки потужності цих подій, астрофізики зможуть фіксувати їх точне розташування та відстань до Землі.

Проте вчені не розраховують отримати остаточну відповідь найближчим часом. Потужностей сучасних детекторів гравітаційних хвиль недостатньо, щоб уловлювати необхідну кількість подій, аби поставити крапку у цьому питанні. Проте вже до 2030 року детектори LIGO і Virgo отримають необхідні оновлення — і тоді полювання за гравітаційними хвилями заграє новими барвами.

Проте команда американських учених у лютому 2021 року проаналізувала подію GW190521 — гравітаційно-хвильовий сплеск, що виник через злиття двох чорних дірок зіркової маси. Ми писали про цю подію раніше, оскільки внаслідок цього злиття могла вийти чорна діра проміжної маси, яку ми досі ніколи не виявляли. Докладніше про це тут.

Так от, вчені впевнені, що ця подія стає відправною точкою для уточнення постійної Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль. Їхні підрахунки показали, що коефіцієнт дорівнює приблизно 68,8 (км/с)/мегапарсерк. Результат дуже схожий на те, що вийшло у команди Фрідман, а тому багато дослідників позитивно відреагували на ці дві нещодавні роботи. Цілком можливо, що правильна відповідь дійсно буде близька до цих цифр.

Проблему розв’язали?

Є ще одне цікаве припущення — постійна Хаббла насправді є непостійною і змінюється не через помилки вчених або вплив невідомих компонентів, а просто тому, що в різні періоди свого розвитку Всесвіт розширювався з різною швидкістю.

Це припущення висунули вчені, що аналізували постійну Хаббла, спостерігаючи за надновими типу la — про їхнє дослідження ми розповідали трохи вище. Енріко Рінальді зі своєю командою розподілили зірки в різні групи — чим ближче зірки до Землі, тим вони молодші, оскільки їх ще не знесло розширенням Всесвіту.

На думку вчених, якби стала Хаббла дійсно була константою, то вона не відрізнялася б від групи до групи. Проте, результат виявився протилежним — згідно з отриманими даними, кожен набір зірок мав свій рівень червоного зміщення, що означало різну постійну Хаббла для різних груп зірок.

Одразу два незалежні дослідження (раз, два) припускають, що «новою фізикою» — тим самим невідомим компонентом космосу, який вносить сум’яття в підрахунки вчених — є темна рання енергія. За своїми властивостями вона нібито відрізняється від звичайної темної енергії — гіпотетичний вид енергії, який, на думку, відповідає за нинішнє розширення Всесвіту. За їхніми підрахунками, рання темна енергія зникла, проіснувавши кілька сотень тисяч років після Великого вибуху, через що ми й не можемо її виявити, проте поступово «натикаємося» під час досліджень.

Рання темна енергія не могла бути достатньо сильною, щоб викликати таке ж прискорене розширення Всесвіту, як звичайна темна енергія. Проте саме вона вплинула на реліктове випромінювання, за яким вчені зараз намагаються вирахувати постійну Хаббла, охолодивши першу матерію, що з’явилася у світі в перші секунди після Великого вибуху.

Обидва дослідження показали, що існуючі дані про реліктове випромінювання набагато краще вкладаються в модель із ранньою темною енергією. Якщо брати за основу цю гіпотезу, то Всесвіт набагато молодший, ніж вважається зараз — і йому не 13,8 млрд років, а «лише» 12,4 млрд років.

Міжнародна команда астрофізиків під керівництвом Стіва Родні з Університету Південної Кароліни впевнена, що ми отримаємо точну відповідь приблизно до 2037 року. Допоможе їм у цьому зірка, яка вибухнула біля 10 млрд років тому в галактиці MRG-M0138.

Вирахувавши, як гравітація галактик викривляє світло, Родні з колегами припустили, що наступна наднова може з’явитися приблизно 2037 року. З цього світу вчені зможуть порівняти відстань до галактики, в якій була зірка. Чим пізніше з’являться сліди вибуху, тим далі розтащована батьківська галактика — це означатиме, що постійна Хаббла нижча, а Всесвіт насправді набагато старший, ніж ми вважаємо. Тож якщо через 15 років ми досі не отримаємо відповідь, з якою ж швидкістю розширюється Всесвіт, у нас залишиться надія на зірку, яка вмирає, останні миті життя якої подарують нам відповідь на одну з нерозгаданих таємниць нашого світу.

«Здається, Всесвіт дає нам багато сюрпризів, і це добре, бо це допомагає нам вчитися», — каже Райс. — «Насправді я не стурбований конкретним значенням розширення; мені подобається використовувати його для вивчення Всесвіту».