Казалось бы, Вселенная давно раскрыла свой секрет: она расширяется. Но чем точнее ученые пытаются измерить скорость этого расширения, тем больше они запутываются. Новые данные с телескопов Hubble и James Webb не только не разрешили загадку, но и углубили ее.
Как понять Вселенную? Измерить ее. Но как измерить расстояния до невообразимо далеких звезд и галактик? Ответ на этот вопрос начал формироваться в 1912 году благодаря работе астронома Генриетты Свон Ливитт. Она изучала особый класс звезд — цефеиды, в Малом Магеллановом Облаке, маленькой галактике-спутнике нашего Млечного Пути.
Ливитт обнаружила удивительную закономерность: чем дольше период изменения яркости цефеиды, тем больше ее абсолютная светимость. Поскольку все цефеиды в Малом Магеллановом Облаке находятся примерно на одном расстоянии от Земли, эта связь «период-светимость» дала ключ к определению их относительной яркости. Цефеиды стали первыми «свечами космоса» — объектами с известной абсолютной светимостью, по видимой яркости которых можно вычислить расстояние.
В 1913 году астроном Эйнар Герцшпрунг сделал следующий шаг. На основе данных Ливитт он оценил расстояние до Малого Магелланова Облака в тридцать тысяч световых лет. Эта оценка, хотя и оказалась впоследствии ошибочной (сегодня мы знаем, что реальное расстояние ближе к 200 тысячам световых лет), впервые позволила заглянуть за пределы Млечного Пути и поставила под сомнение представление о том, что все туманности — часть нашей Галактики. Возможно, это были самостоятельные «островные вселенные» — другие галактики.
На основе цефеид астрономы начали строить «космическую лестницу расстояний». Калиброванные цефеиды помогали определять расстояния до более далеких объектов, которые, в свою очередь, становились новыми стандартными свечами для еще больших дистанций. Однако ошибки накапливались.
Параллельно открывалась другая фундаментальная истина. Ученые обнаружили, что галактики в основном удаляются от нас. Более того, скорость их «разбегания» растет пропорционально расстоянию. Физик Жорж Леметр первым в 1927 году вывел численное значение коэффициента этой пропорциональности — константы, позже названной постоянной Хаббла (H0).
Используя скудные данные, Леметр получил значение 575 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк). Мегапарсек — это единица расстояния, равная 3,26 миллиона световых лет. Чтобы найти скорость галактики в километрах в секунду, нужно умножить ее расстояние от нас в мегапарсеках на H0 – параметр, который характеризует скорость расширения Вселенной. Он показывает, насколько быстро удаляются от нас галактики, находящиеся на определенном расстоянии.
Леметра опередил Эдвин Хаббл. В 1929 году, работая с ассистентом Милтоном Хьюмасоном в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии и имея больше наблюдений, Хаббл уверенно объявил о существовании линейной зависимости «скорость-расстояние» и получил H0 равную 530 километрам в секунду на мегапарсек. Этот закон теперь известен как закон Хаббла-Леметра.
Теоретики быстро поняли значение H0. Решения уравнений Общей теории относительности Альберта Эйнштейна для всей Вселенной еще с 1917 года допускали возможность расширения или сжатия пространства (сам Эйнштейн тогда добавил «космологическую постоянную», чтобы получить статическую модель). Закон Хаббла-Леметра стал сильнейшим свидетельством в пользу расширяющейся Вселенной. Галактики не просто разлетаются в статичном пространстве; само пространство растягивается, унося их друг от друга.
Однако возникла серьезная проблема. Значение H0, полученное Хабблом, указывало на возраст Вселенной меньший, чем возраст некоторых звезд в ней — явный абсурд. Корень проблемы лежал в неточности космической лестницы расстояний.
Прорыв случился в начале 1940-х годов. Астроном Вальтер Бааде выделил две разные популяции звезд — молодые и старые. К 1950-м годам он доказал, что цефеиды в этих популяциях подчиняются разным соотношениям «период-светимость», хотя раньше их не различали. Бааде установил, что многие звезды, использованные для построения лестницы расстояний, на самом деле ярче, а значит, дальше, чем считалось. Значение H0 мгновенно уполовинилось — до 280 километров в секунду на мегапарсек. Возрастной парадокс смягчился, но не исчез.
К 1974 году астроном Аллан Сэндидж построил новую, более точную лестницу расстояний и получил H0 равную всего 57 километрам в секунду на мегапарсек — на порядок меньше первой оценки Леметра. Но консенсуса не случилось. Другие исследователи оспаривали методы Сэндиджа, настаивая на значении около 100 километров в секунду на мегапарсек. Разгорелись ожесточенные дебаты, вошедшие в историю как «войны Хаббла». Космология тогда еще не считалась полноценной точной наукой; ее теории казались слишком спекулятивными, а данные — скудными и неоднозначными.
Значительные изменения произошли в 1965 году. Ученые заново открыли реликтовое излучение — предсказанное в 1948 году, но потом почти забытое. Оно возникло примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная достаточно остыла и расширилась для того, чтобы вещество и излучение разделились. Этот момент называют рекомбинацией. Вселенная наполнилась светом. За миллиарды лет дальнейшего расширения этот свет остыл до микроволнового и инфракрасного диапазона, и сегодня мы наблюдаем его как слабое свечение со всех направлений неба — космический микроволновый фон.
Теория предсказала: акустические волны, которые существовали в горячей плазме до рекомбинации, должны оставить след в реликтовом излучении в виде крошечных колебаний температуры. Характер этих колебаний очень чувствителен к фундаментальным космологическим параметрам, включая постоянную Хаббла H0. Таким образом, самый древний свет во Вселенной стал мощнейшим инструментом для измерения скорости ее расширения.
Астрономия и космология преобразились за последние пятьдесят лет. Наземные и космические телескопы предоставили невиданные по точности данные. В 1970-х годах изучение движения звезд в спиральных галактиках привело к открытию темной материи — гипотетической невидимой субстанции, гравитация которой не дает галактикам разлететься в разные стороны. Ее природа до сих пор неизвестна.
Далекие галактики очень тусклы. Но когда в них взрывается сверхновая звезда, она может затмить всю галактику, указывая астрономам ее местоположение и скорость. Сверхновые типа Ia стали новой мощной стандартной свечой. В конце 1990-х годов, наблюдая такие сверхновые в чрезвычайно далеких галактиках, ученые сделали сенсационное открытие: расширение Вселенной не замедляется, как ожидалось, а ускоряется! Для объяснения этого феномена в космологическую модель ввели темную энергию — загадочную силу, расталкивающую пространство. Ее природа тоже остается полной тайной.
Технологии приближали разрешение векового спора о H0. В 2001 году наблюдения цефеид и сверхновых типа Ia с помощью космического телескопа Hubble (HST) позволили международной команде астрономов под руководством нобелевского лауреата Адама Рисса установить значение H0 равное 72 километрам в секунду на мегапарсек. Казалось, найден золотой стандарт. Уверенность укрепилась в 2003 году, когда спутниковые измерения мелких колебаний температуры в реликтовом излучении (миссия WMAP) дали очень близкую цифру — 71 километр в секунду на мегапарсек. Стандартная модель космологии — Большой взрыв с добавлением темной материи и темной энергии — выглядела безупречно.
Но надежды оказались обманчивыми. Последующие измерения с использованием все более совершенных инструментов, включая сам HST и новейший космический телескоп James Webb (JWST), только подтвердили значение H0, полученное по цефеидам и сверхновым типа Ia — около 73 километров в секунду на мегапарсек. При этом другие стандартные свечи, не связанные с цефеидами (например, звезды типа RR Лиры или красные гиганты на вершине ветви), давали чуть меньшие результаты — в диапазоне от 68 до 70 километров в секунду на мегапарсек.
Эти измерения основаны на наблюдении относительно близких объектов, свет от которых шел до нас «недолго» по космическим меркам — миллионы или сотни миллионов лет.
Мы видим Вселенную такой, какой она была через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Чтобы получить из этих данных значение H0 для сегодняшнего дня, ученые используют сложные вычисления в рамках принятой космологической модели. Самые точные на сегодня измерения реликтового излучения выполнила миссия Planck в 2018 году. Она дала значение H0 равное 67,7 километра в секунду на мегапарсек.
Цифры кажутся близкими: 73 против 67.7. Но ключевая проблема — точность измерений. Ошибки в обоих методах стали настолько малы, что расхождение между «ранним» и «поздним» значением H0 уже нельзя списать на погрешность. Оно выглядит статистически значимым. Это расхождение и получило драматичное название — «Проблема напряжения Хаббла» (Hubble Tension).
Вселенная, измеренная по ее «младенческому фото» — реликтовому излучению, и по ее «современным» галактикам, расширяется с разной скоростью. По данным ближних галактик, скорость расширения сегодня выше, чем предсказывает стандартная модель, экстраполированная от эпохи рекомбинации. Разрыв составляет около 10 процентов — достаточно, чтобы поставить под сомнение наши фундаментальные представления.
Астроном Адам Рисс предложил яркую аналогию. Представьте строительство гигантского моста, символизирующего возраст Вселенной. Одна команда начинает с самого начала — эпохи рекомбинации, основываясь на данных Planck. Другая команда строит от нашего времени, опираясь на измерения цефеид и сверхновых. Обе команды используют лучшие доступные технологии и расчеты. Но когда конструкции должны встретиться в середине — примерно на полпути от Большого взрыва до наших дней — они не сходятся. Мост не соединится. Это означает фундаментальный изъян либо в наших методах измерения, либо в самой теории.
Если «напряжение» реально, а не результат скрытой ошибки, это станет величайшим вызовом для физики XXI века. Значит, стандартная космологическая модель неполна. Требуется новая физика. Теоретики уже предлагают множество гипотез: неучтенные свойства темной энергии, нестандартные виды нейтрино, неизвестные взаимодействия темной материи, ошибки в теории гравитации на космологических масштабах, и даже идеи о том, что наша область Вселенной аномально пуста. Каждая попытка объяснения «напряжения» проверяет пределы современной науки.
Альтернатива менее сенсационна, но не менее важна. Расхождение может указывать на неучтенные систематические ошибки в измерениях. Возможно, цефеиды или сверхновые типа Ia — не такие уж идеальные стандартные свечи, как кажется. Может, на их яркость влияют неизвестные факторы. Или в калибровке лестницы расстояний закралась ошибка, которую упорно не могут найти. Если тщательный пересмотр методов и данных снимет «напряжение», это станет триумфом точности и закроет столетнюю главу неопределенности с постоянной Хаббла.
Post Scriptum
Так, почему требуется целое столетие, чтобы определить скорость расширения Вселенной?
Ученые измеряют расстояния до галактик по «космической линейке», у которой каждое деление нужно сначала откалибровать. За сто лет выяснилось, что эта линейка кривовата: сначала неправильно определили яркость звезд, потом спутали типы этих звезд, потом нашли новые маяки вроде сверхновых, потом оказалось, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением.
Разные методы — как старые фотографии с разных концов моста: с одной стороны он построен быстрее, с другой — медленнее. Но когда инженеры попробовали соединить концы, поняли, что они не сходятся. Это и есть загадка: кажется, Вселенная расширяется быстрее, чем мы думали, или мы просто чего-то не поняли в самой физике. Поэтому ученые и работают над этим вопросом уже сто лет.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» (5336 6902 0053 5906), либо через Дзен по ссылке.
