Откуда мы знаем космологические характеристики? Часть первая: сверхновые

Мы уже обсуждали решение Фридмана и разные космологические модели. Вселенную считаем однородной и изотропной (почему считаем — обсудим отдельно во второй части, а пока просто примем это допущение как разумное). Все сводится к трем Омегам, выражающим доли плотности материи (обычной и темной), космологической постоянной, она же темная энергия (она проявляет свойства положительной плотности, но отрицательного давления) и кривизны Вселенной как целого (это еще одно слагаемое, играющее роль плотности).

Но какая модель ближе к нашей Вселенной? И как это можно узнать? Ведь если никак, то это не наука, а фантазии в математической форме, как их обозвал Рашевский в своей отличной книге Тензорный анализ и Риманова геометрия. Тогда и правда данных не было.

Еще мы обсуждали разные понятия расстояния в космологии, и среди прочих было расстояние по светимости. Если мы найдем объект, светимость которого нам известна и расстояния до которого мы можем определить по красному смещению, то можно вычислить расстояние по светимости и сравнить с измеренным. Это позволит определить либо проверить космологические параметры.

Зависимость расстояния по светимости от красного смещения для разных моделей легко строится. Нужны только достаточно яркие стандартные свечи: объекты, светимость которых нам известна. Оценки показывают, что достаточно точности в 10% для красных смещений до z=0.5, чтобы определить, материя доминирует или космологическая постоянная.

Число z описывает красное смещение: длина волны увеличивается в 1+z раз

Стандартными свечами являются звезды-цефеиды, но они недостаточно ярки для космологических расстояний. Но есть сверхновые класса Ia.

Сверхновые чрезвычайно ярки: в течение нескольких недель они светятся ярче целой галактики. Правда, выяснилось, что сверхновые бывают разные.

Сначала их разделили на два класса, I и II, по спектру. Потом класс I разделили на Ia и Ib, тоже по спектральным характеристикам. И оказалось, что Ia все очень похожи, как по спектрам, там и по зависимости светимости от времени.

Сейчас считается, что классы II и Ib — это коллапс массивных звезд, и именно они произвели почти весь кислород. А Ia — это взрывы углеродно-кислородных белых карликов в двойных системах. Такой карлик отбирает вещество у звезды-напарницы, приближается к пределу Чандрасекара, запускается термоядерный синтез железа из углерода или кислорода, а эта реакция, если запущена, протекает очень быстро. Кстати, две трети железа в нашей крови — оттуда.

На самом деле, пиковая яркость варьирует довольно сильно, в пределах 50-60%, что делало бы эти сверхновые бесполезными в качестве стандартных свечей. Однако пиковая яркость хорошо коррелирует с длительностью свечения сверхновой, см. рисунок. И можно сделать коррекцию. Получится стандартная свеча, которая позволяет уверенно различать космологические модели.

Из [1]. Светимость сверхновых как функция времени до и после коррекции

В жизни галактики сверхновая — редкое явление: одно-два события за столетие. Но наблюдению доступны тысячи галактик, что дает много событий в год и для самых разных красных смещений.

Такие наблюдения были проведены, и они показали следующее: при красном смещении z~0.5 данные сверхновые на 10-20% тусклее, чем предсказывает модель пустой Вселенной (основную долю "плотности" дает кривизна); на 30-40% тусклее, чем по модели с 25% плотности материи и 75% на долю кривизны. Оценка в 25% материи получается из других соображений. А вот 25% материи и 75% от космологической постоянной уже согласуется с этими наблюдениями. При этом кривизна Вселенной как целого получается близкой к нулю.

Из [1]. Наблюдения сравниваются с предсказаниями космологических моделей. Из верхнего графика видно, что 25/75 лучше, хотя он не слишком убедителен. Снизу вычли кривую для пустой вселенной 0/0, стало нагляднее.

Можно применить стандартные методы математической статистики и они дают вот что. Гипотеза "не было Большого взрыва" отвергается на уровне более 99%; расширение Вселенной ускоренное — космологическая постоянная (темная энергия) больше нуля — с уровнем 99%.

Также получается, что кривизна близка к нулю и всю плотность обеспечивают материя (около 30%) и темная энергия (около 70%).

Теперь посмотрим, нет ли других объяснений.

1. Всё основано на предположении, что соотношение пиковой светимости и времени свечения не меняется со временем. Может, раньше такие сверхновые светились иначе? Например, потому что углерода и кислорода было другое количество. А ведь отдаленные события мы видим в прошлом. Да, но если бы такая эволюция имела бы место, то наблюдалась бы разница между сверхновыми вдали и вблизи, а она не наблюдается.
2. А что, если отдаленные сверхновые приглушает межзвездная пыль? Поэтому они тусклее, ну и соответственно. Да, но мелкая пыль, с размером частиц порядка длины волны света, не только частично поглощает свет, но и увеличивает его длину волны, делая его более красным. Тогда отдаленные сверхновые отличались бы по цвету, а они не отличаются.
3. Возможно, частицы пыли крупные и затеняют свет, не меняя длину волны. Эту возможность можно исключить вместе с двумя другими, понаблюдав за сверхновыми при красных смещениях z более 1, то есть за сравнительно отдаленными. Гипотезы затенения или изменения характеристик во времени предсказывают дальнейшее ослабление яркости: чем дальше, тем тусклее. Однако космологическая константа дает другое предсказание: яркость начнет опять расти, потому что в эту эпоху вклад космологической постоянной становится сравним со вкладом материи. Установив наличие темной энергии (это космологическая постоянная и есть), ученые стали целенаправленно искать такие сверхновые. Кривая зависимости расстояния от красного смещения соответствует предсказанию космологической модели с долей материи 30% и темной энергии 70%. Альтернативные объяснения крайне маловероятны.

Из [1]. Наблюдения и предсказания. Как видим, предположение о пыли или о изменении характеристик со временем отвергаются весьма надежно, а модель 27/73 данным не противоречит.

После установления этого фундаментального результата, база наблюдений была расширена и всевозможные источники ошибок были учтены, а также были привлечены данные по реликтовому излучению (о котором в другой раз) и другие, и было установлено очень надежно. Желающие могут полистать 169-страничный обзор [2]. Скептикам это обязательно.

Этот материал являются сокращенным переводом-пересказом шестой лекции курса [1].

[1] Pettini M. Introduction to Cosmology.

[2] Weinberg et al. Physics Reports, 2013, v. 530 pp. 87-255

Оглавление рубрики и Путеводитель по каналу