Конечность размеров галактик усилила путаницу с постоянной Хаббла

Постоянную Хаббла можно определять по сильному гравитационному линзированию квазаров на далеких галактиках, однако пренебрежение конечностью размеров этих галактик приводит к систематической погрешности измерений. В результате разница между значениями постоянной, определенной разными методами, становится еще больше, пишут астрофизики из Гарварда и Университета Джонса Хопкинса в статье, опубликованной в Physical Review D.

Постоянная Хаббла H₀ описывает, с какой скоростью расширяется Вселенная — по закону Хаббла скорость «убегания» галактики пропорциональна расстоянию до нее, и коэффициентом пропорциональности является эта постоянная. Точнее, описывает, как мы видим это расширение в данный момент, поскольку со временем «постоянная» уменьшается. Поэтому постоянная Хаббла имеет обратную размерность времени, обычно ее выражают в километрах в секунду на мегапарсек.

Рассчитать эту постоянную можно разными способами. Один из способов предполагает измерение углового разрешения флуктуаций реликтового излучения, на которые влияет постоянная Хаббла. Последние измерения, выполненные космической обсерваторией «Планк», дают значения H₀^P = 67,6 ± 0,6 километров в секунду на мегапарсек. С другой стороны, постоянную можно рассчитать, непосредственно измеряя по красному смещению скорость отдаленных объектов — например, сверхновых, расстояние до которых можно определить по кривой их блеска. Такие измерения приводят к результату H₀^S = 73,2 ± 1,7. Еще один способ использует тот факт, что постоянная H₀ пропорциональна временной задержке между различными изображениями фоновых квазаров, возникающих при сильном гравитационном линзировании, — этот подход дает H₀^K = 72 ± 3. Последние два результата не сходятся с данными «Планка», и это несоответствие — одна из самых больших проблем современной астрофизики и космологии.

Авторы статьи попытались объяснить это расхождение, учтя эффекты, возникающие из-за конечного размера скоплений галактик, которые служат «линзой» для квазаров. Обычно расчеты задержек ведутся в предположении, что линзирующие объекты сферически симметричны, а их плотность падает обратно пропорционально степени расстояния. Однако в действительности пространство вокруг галактик практически не содержит вещества, то есть эту зависимость нужно «обрезать» на некотором расстоянии r. Если не учитывать этот факт (как во всех предыдущих статьях), то измеряемые значения постоянной Хаббла будут систематически занижаться примерно на один процент. Ранее такие детали были несущественны, однако в последнее время точность измерений сильно возросла, и возникающие из-за конечности радиуса эффекты необходимо учитывать. В итоге «правильное» значение постоянной Хаббла оказывается равным H₀^K = 73 ± 3.

Кроме того, конечность радиуса распределения масс необходимо учитывать в более тонких гравитационных эффектах, которые также влияют на временную задержку. Другими словами, гравитационное действие линзирующего объекта простирается только до некоторого расстояния R > r, вне которого метрика пространства будет невозмущенной. Учет этого факта, в свою очередь, приводит к поправкам ко времени задержки порядка 10⁻⁴, что несущественно при текущей точности экспериментов.

Таким образом, в данной работе ученые пересмотрели способ определения постоянной Хаббла по временной задержке, возникающей при сильном гравитационном линзировании квазаров на массивных объектах. Это приблизило значение H₀^K к H₀^S, однако так и не объяснило отличие от значения, определенного с помощью космической обсерватории «Планк». Даже хуже — учет поправки еще больше увеличил разницу между этими числами.

В прошлом году мы писали о несоответствии между значениями постоянной Хаббла, определенными по анализу микроволнового фона и расстоянию до сверхновых, находящихся в далеких галактиках.

Дмитрий Трунин