Если наблюдения верны, нам может понадобиться новая физика для объяснения Вселенной.
Величайшая загадка космологии стала еще более загадочной.
Изображения, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), подтвердили, что Вселенная, похоже, расширяется значительно быстрее, чем должна быть. Это наблюдение противоречит уважаемой теории стандартной модели космологии, которая описывает, как развивалась Вселенная с первых мгновений после Большого взрыва.
Конфликт сводится к расчетам постоянной Хаббла — числа, которое описывает, насколько быстро все во Вселенной разлетается на части. Один расчет, основанный на спутниковых наблюдениях самого старого света во Вселенной «Планк» в сочетании со стандартной моделью космологии, предполагает, что постоянная Хаббла составляет 67,4 километра в секунду на мегапарсек (мегапарсек составляет около 3 миллионов световых лет). Снимки звезд на разных расстояниях от нас, полученные космическим телескопом Хаббл, дают принципиально несовместимую величину — 73 километра в секунду на мегапарсек.
Это несоответствие известно как напряжение Хаббла, и новые данные с телескопа не помогли его разрешить. JWST показал изображения тех же звезд, что и телескоп Хаббл, и рассчитал очень похожую постоянную Хаббла. Хотя число Планка расходится с данными телескопа Хаббла и числом JWST менее чем на 10 процентов, расхождение в измерениях означает, что с нашим пониманием Вселенной что-то сильно не так. Если в одном из измерений не обнаружится ошибка, то для объяснения напряжения потребуется странная новая физика.
За последние 10 лет напряжённость Хаббла пыталисб объяснить чем угодно: от странной темной материи и странной темной энергии, до другой [экзотической] частицы и магнитного поля в ранней Вселенной и так далее. Некоторые из этих объяснений выглядят отчасти успешными, некоторые — совершенно неудачными, а другие вызывают только больше вопросов.
JWST смотрит на звезды, чтобы вычислить постоянную Хаббла
С помощью телескопа Хаббла и JWST астрономы рассчитывают постоянную Хаббла, наблюдая за мигающими звездами, известными как переменные цефеид. Звезды периодически вспыхивают со скоростью, показывающей, сколько света они излучают. Сравнение яркости звезды на изображениях телескопа с ее ожидаемой яркостью, основанной на скорости вспышек, дает представление о расстоянии до звезд. Изменения в цвете света, исходящего от звезд, показывают, насколько быстро они движутся. Объединение наблюдений за расстоянием и скоростью звезд-цефеид приводит к измерению расширения Вселенной.
Но переменные звезды-цефеиды обычно располагаются глубоко внутри галактик, окруженные толпами других звезд. Это может затруднить получение точных измерений скорости и местоположения цефеид. Одним из простых решений проблемы Хаббла могло быть то, что измерения телескопа Хаббла просто были ошибочными.
JWST способен четко различать цвет и яркость переменных цефеид сквозь звездное скопление. Изображения JWST с более высоким разрешением предоставляют данные с гораздо меньшей неопределенностью и меньшей путаницей с близлежащими звездами, чем мог бы получить телескоп Хаббл. Результат: измерения телескопа Хаббл всегда были верными.
Однако этого исследования оказалось недостаточно, чтобы убедить астрономов. Две изученные галактики сравнительно близки к нам в космических масштабах, а самая далекая из них находится на расстоянии около 75 миллионов световых лет. Относительная близость позволяет легче выделить цефеиды среди звездных скоплений. А отличить цефеиды от толп окружающих звезд в более отдаленных галактиках будет ещё труднее, даже с помощью JWST.
Проблема будет только усугубляться, потому что разрешение ухудшается по мере увеличения расстояния. В очень далеких галактиках звезды могут располагаться слишком близко друг к другу. В результате оценить постоянную Хаббла будет ещё труднее при анализе более далеких цефеид.
Изображения JWST не затронули напряженность вокруг Хаббла
Намеки на то, что измерения могут быть справедливы и на больших расстояниях, возникли в презентации 12 сентября на конференции в Балтиморе, посвященной первому году науки JWST. Астрономы представили предварительные данные о цефеидах еще из четырех галактик. Одна из них находится на расстоянии 140 миллионов световых лет от нас — среди самых далеких галактик в исследованиях цефеид телескопом Хаббл. Данные JWST от этих звезд также совпадают с измерениями телескопа Хаббл. Хотя изображения все еще ожидают экспертной оценки, изображения убедительно свидетельствуют о том, что JWST действительно преодолел неопределенности, возникшие в результате того, что свет цефеид смешивался со светом близлежащих звезд на изображениях телескопа Хаббл с более низким разрешением.
Спутниковая коллаборация «Планк», которая изучала самый старый свет во Вселенной, называемый космическим микроволновым фоном, обнаружила минимальное значение расширения Вселенной. Расчеты спутника основаны на изображениях структуры света ранней Вселенной. Вместе со стандартной космологической моделью изображения показывают, что Вселенная расширяется с постоянной Хаббла, которая ниже, чем измерение JWST, примерно на 5,6 километров в секунду на мегапарсек.
Разница между измерениями указывает на то, что стандартная модель космологии может быть ошибочной. Но, с другой стороны, она кажется безупречной; она выдержала множество прошлых испытаний, нигде не вызывая сомнений и сложностей. Модель возникла отчасти благодаря открытию ускоряющегося расширения Вселенной. Это открытие стало ключевым моментом в формировании модели, включающей темную материю, темную энергию и другие факторы, что сделало ее простейшей теорией, которая может точно описать Вселенную.
Однако теперь исследования постоянной Хаббла на основе цефеид, показывают, что нам еще многое предстоит узнать.
Возможно, нас ждёт совершенно новая физика.
