Красные гиганты почти «помирили» сверхновые с реликтовым излучением

Астрономы построили новую калибровку расстояний до сверхновых на основе вершины ветви красных гигантов. Уточненные данные позволили заново оценить постоянную Хаббла, которая описывает темп расширения Вселенной. Новое значение оказалось заметно ниже предыдущих оценок и существенно ближе к получаемому при анализе реликтового излучения результату, пишут авторы в препринте на сайте arXiv.org, статья принята к публикации в The Astrophysical Journal.

В последние годы в астрономии возникло явное противоречие между определениями темпа расширения Вселенной разными методами. Само расширение описывается постоянной Хаббла, которая связывает кажущуюся скорость удаления галактики с расстоянием до нее. Существует два основных метода вычисления этой величины, которые дают заметно различающиеся результаты.

Один из подходов связан с изучением ранней Вселенной и экстраполяцией полученных данных согласно модели эволюции к сегодняшней эпохе. Информация о прошлом состоянии извлекается из реликтового излучения, которое появилось спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Наиболее точные измерения этого электромагнитного сигнала выполнил европейский спутник «Планк», а соответствующее значение постоянной Хаббла оказывается равным 67,4±0,5 километров в секунду на мегапарсек.

Второй способ использует объекты относительно близкой локальной Вселенной — сверхновые. Считается, что подклассу катастрофических событий из этой группы свойственна связь между кривой блеска (зависимостью яркости от времени) и пиковой светимостью. Таким образом, на основе уменьшения блеска можно сделать вывод об абсолютном энерговыделении, а сравнив его с видимым, оценить расстояние. Добавив к этому информацию о темпе удаления на основе красного смещения и накопив статистику можно построить зависимость между скоростью и расстоянием, то есть получить постоянную Хаббла. Сторонники этого подхода склоняются к значению порядка 74,03±1,42 километров в секунду на мегапарсек.

Каждый из методов оценки обладает своими минусами. Космологическая оценка опирается на модель эволюции Вселенной, на которую теоретически могут оказывать влияния неизвестные пока факторы. Сверхновые могут, на самом деле, быть не такими одинаковыми, как это принято считать, а расстояние до них опирается на ряд других методов, вместе формирующих лестницу шкал, причем каждая «ступень» в ней обладает собственными ошибками.

Астрономы из Германии, США, Чили и Южной Кореи под руководством Венди Фридман (Wendy Freedman) из Чикагского университета предложили оценить расстояния до сверхновых с использованием уточненной шкалы, построенной на основе вершины ветви красных гигантов. Новая калибровка несколько отличается от обычно используемой в таких случаях шкалы цефеид и приводит к иным расстояниям и, следовательно, постоянной Хаббла.

Исследование опирается на событие в жизни звезд средних масс (примерно от 0,8 до 2 масс Солнца), которое случается с ними на поздних этапах, — гелиевую вспышку. Когда водород в ядре такого светила заканчивается, оно сходит с главной последовательности, начинает существенно расширяться и превращается в красного гиганта. В это время слияние водорода продолжается в слоевом источнике над инертным ядром с высоким содержанием гелия.

Однако в некоторый момент давление и температура в ядре достигают значений, достаточных для начала реакции гелия, которая у звезд данного диапазона масс происходит в режиме неуправляемого разогрева (из-за квантового вырождения вещества), в результате чего быстро выделяется большая энергия, существенная доля гелия превращается в углерод, а эволюционная траектория резко меняется. Эта точка на диаграмме Герцшпрунга — Рассела называется вершиной ветви красных гигантов. Это явление можно использовать для оценки расстояния, так как на вершине находятся самые яркие красные гиганты. Следовательно, измерив в наблюдениях максимальных блеск таких звезд в галактике, можно оценить расстояние до нее.

Использование уточненной шкалы небольших расстояний позволило скорректировать калибровку расстояний до сверхновых. В результате ученые получили значение постоянной Хаббла 69,8±1,9, которое находится почти посередине между предыдущими оценками, но слегка ближе к данным по реликтовому излучению.

Тем не менее, ошибки нового метода пока достаточно велики, поэтому он не может поставить точку в споре о скорости расширения Вселенной. Возможно, это удастся сделать при помощи будущего инфракрасного обзорного космического телескопа WFIRST, который должен быть запущен в середине 2020-х. Он сможет достаточно быстро собрать значительно превышающую сегодняшнюю статистику по красным гигантам, цефеидам и сверхновым во многих галактиках.

Мы внимательно следим за развитием ситуации с расхождением в оценках постоянной Хаббла. Различные корректировки цефеидной калибровки не сняли противоречия. Оценка на основе реликтового излучения может быть неверной, если в ранней Вселенной было сильно влияние специфического явления, а потом оно сошло на нет. Большие надежды возлагаются на совместные наблюдения электромагнитных и гравитационных волн от слияния нейтронных звезд (черные дыры тоже помогают, но в меньшей степени), но пока такое событие зарегистрировано только одно, а нужно хотя бы 15.

Тимур Кешелава