Телескоп «Хаббл» обвинили в напряженности Хаббла

Астрофизики провели систематический анализ различных способов определения темпа расширения Вселенной и пришли к выводу, что все методы, кроме откалиброванных по цефеидам сверхновых, полученных с помощью телескопа «Хаббл», дают в целом согласующийся результат. В другой работе астрономы заново измерили расстояния до цефеид в Млечном Пути с помощью данных телескопа Gaia вместо «Хаббла»: они оказались систематически больше, чем считалось ранее. Пересчет скорости расширения Вселенной с новыми данными привел к согласующемуся результату и отсутствию напряженности Хаббла. Обе работы опубликованы на сервере arXiv.org.

Расширение Вселенной измеряют при помощи постоянной Хаббла. Вопреки названию эта величина меняется со временем, но в текущую эпоху ее значение примерно равно 70 километрам в секунду на мегапарсек. Это значит, что если два тела находятся на расстоянии в один мегапарсек, то между ними происходит расширение пространства с таким темпом, что наблюдателю на одном из тел кажется, будто другое тело удаляется от него со скоростью 70 километров в секунду.

Посчитанные из расширения Вселенной скорости не являются реальными скоростями движения и могут превышать скорость света без нарушения постулатов специальной теории относительности. Объяснение заключается в том, что эффект расширения пространства постепенно набегает при движении фотонов вне гравитационно связанных тел и лишь для относительно близких расстояний соответствует классическому эффекту Доплера.

Астрономы придумали множество разнообразных методов определения постоянной Хаббла, которые опираются на разные объекты, светившие в разные этапы существования Вселенной. Основных способов два: на основе яркости стандартных свечей, в первую очередь, сверхновых, и на основе анализа реликтового излучения. Первый метод показывает «локальный» темп расширения в близкой Вселенной, а второй, космологический, говорит о свойствах мира спустя 380 000 лет после Большого взрыва. Первый способ дает значение около 73 км/с/Мпк, а второй — около 68. Эта ситуация несогласованности получила название напряженности Хаббла (Hubble tension).

В первой работе коллектив американских астрономов из Университета штата Северная Каролина, первым автором которого выступила Вэйкан Линь (Weikang Lin), сравнил результаты разных способов измерения темпа расширения Вселенной. Авторы рассматривают одновременно оценки и постоянной Хаббла, и доли материи в современной Вселенной. Такой подход позволяет учесть больше экспериментальных данных, а также избавиться от некоторых взаимных корреляций между результатами, что позволяет делать более надежные выводы.

Ученые рассматривают следующие источники информации: задержка времени между изображениями сильного гравитационного линзирования, ослабление гамма-лучей, крупный обзор галактик DES, разницы возрастов пассивных галактик на близких красных смещениях (метод космических хронометров), барионные акустические осцилляции на низких и высоких красных смещениях, анализ реликтового излучения по данным спутников WMAP и Planck, относительные яркости сверхновых, калиброванные по цефеидам сверхновые в локальной Вселенной, а также возраст старейших звезд.

Оказалось, что все методы, кроме калиброванных по цефеидам сверхновых, с разумной точностью пересекаются в одной области в районе значения постоянной Хаббла на уровне 68-69 км/с/Мпк. Авторы заключают, что проблема заключается именно в этом методе, а не в чем-то другом. Дополнительным аргументом ученые называют результаты замены цефеидной калибровки на проведенную по вершине ветви красных гигантов — в таком случае удается добиться намного более хорошего согласования между данными.

В другой статье ученые из Франции, Италии, Германии и Чили при ведущем соавторстве Луизы Брёваль (Louise Breuval) из французского Национального центра научных исследований заново оценили расстояния до цефеид в Млечном Пути. Для звезд этого типа в нашей Галактике возможно измерить расстояние независимым геометрическим методом тригонометрического параллакса. Так как цефеиды Млечного Пути используются в качестве первой «ступени» в соответствующем методе калибровки, то изменение оценки расстояния до них сказывается на всех полученных на их основе величинах.

Авторы использовали второй каталог данных астрометрического спутника Gaia для нового измерения закона Левит, то есть соотношения между периодом и светимостью цефеид, которое и позволяет использовать их для оценки расстояния. Однако, чтобы избежать проблем с ошибками измерений расстояний до переменных цефеид, авторы воспользовались данными не о них самих, а об их компаньонах в кратных системах. Ученым удалось найти 23 такие цефеиды.

Результаты астрономов оказались систематически сдвинуты относительно предшествующих оценок, сделанных при помощи телескопа «Хаббл». В частности, измеренные параллаксы были больше в среднем на 200 микросекунд дуги. Если использовать новые данные в качестве основы для калибровки расстояний до сверхновых, то оценка постоянной Хаббла получается на уровне 69 км/с/Мпк с ошибками около 2, то есть значительно меньше, чем раньше и, что более важно, в согласии с результатами других методов. Иными словами, использование измерений Gaia вместо «Хаббла» позволило снять напряженность Хаббла.

Авторы отмечают, что данная работа представляет собой первую альтернативную попытку установления закона Левит, так как все проведенные ранее исследования прямо или косвенно опирались на наблюдения цефеид при помощи телескопа «Хаббл». Более точные выводы можно будет сделать после публикации третьего каталога Gaia, в котором будет учтена переменность самих цефеид, что должно сделать оценку расстояния непосредственно до них надежной.

До этого астрономы возлагали большие надежды на слияния нейтронных звезд в качестве независимой оценки скорости расширения Вселенной, но такое событие пока удалось зафиксировать только одно. Также была идея о гигантском войде в локальной Вселенной, который влияет на оценки постоянной Хаббла, но валидность такого аргумента ученые уже опровергли. Еще одним новым способом может стать использование недавно предложенных стандартных линеек для вселенского рассвета.

Тимур Кешелава