Ученые предполагают, что Вселенная расширяется медленнее, чем считалось раньше

С начала 20-го века известно, что Вселенная расширяется, но скорость этого расширения остается спорной. Теоретическое понимание предсказывает скорость расширения, которая примерно на 8% ниже наблюдаемой. Это несоответствие, известное как парадокс Хаббла, остается неразрешенным. Хотя возможной причиной могут быть неточные измерения, новая статья в «Астрофизическом журнале» подтверждает точность существующих наблюдений, сравнивая данные телескопа «Хаббл» с наблюдениями телескопа «Джеймс Уэбб» и обнаруживая почти полное совпадение.

Что такое постоянная Хаббла и как мы ее измеряем?

Скорость, с которой расширяется Вселенная, выражается в величине, называемой постоянной Хаббла, которая обычно обозначается как H0. Особенность нашей Вселенной заключается в том, что скорость ее расширения зависит от расстояния: чем дальше находится объект, тем быстрее он удаляется от нас. Чтобы отразить этот факт, постоянная выражается в километрах в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк), где мегапарсек — единица измерения расстояния, эквивалентная примерно 300 000 световых лет.

Наша лучшая теоретическая модель Вселенной, модель «Лямбда/холодная темная материя» («ΛCDM»), предсказывает значение H0 в диапазоне 67–68 км/с/Мпк. Однако наши наблюдения показывают, что H0 составляет около 73 км/с/Мпк. Так что же происходит?

Чтобы понять это, нам сначала нужно понять, как измеряется H0. Ученые делают это, изучая удаленные объекты — звезды, галактики, сверхновые — и выясняя, а) насколько они далеки и б) с какой скоростью удаляются от нас.

Восхождение по лестнице космических расстояний

В астрономии определение космических расстояний представляет собой сложную задачу. Астрономы используют так называемую «лестницу космических расстояний», которая начинается с объектов, расположенных на расстоянии около 1000 парсеков. Для таких объектов они применяют тригонометрические методы.

Чтобы определить расстояние до более далеких объектов, необходимы данные о видимой звёздной величине и собственной светимости звезды. Разница между этими величинами указывает на расстояние до объекта.

«Стандартные свечи», такие как сверхновые типа 1a и Цефеиды, помогают определить расстояние до дальних объектов, калибруя их яркость.

Зная расстояние до объекта, астрономы также могут рассчитать его скорость удаления от нас, измеряя «красное смещение», вызванное расширением Вселенной.

Вычисление постоянной Хаббла

Как только мы получим оба вида информации, определение постоянной Хаббла не составит труда: скорость и расстояние связаны уравнением v = H0d, где v — скорость, d — расстояние, а H0 — постоянная Хаббла.

Если мы проведем это измерение для большого количества далеких объектов, то сможем получить более точное значение постоянной Хаббла. Конечно, для этого важно, чтобы измерения были правильными. Большая часть информации о далеких объектах поступает от космического телескопа «Хаббл», который десятилетиями собирал данные, а запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» предоставил прекрасную возможность перепроверить эти данные.

— Это также предоставляет новые перспективы для научных изысканий, — отмечает Адам Рисс — ведущий автор статьи и лауреат Нобелевской премии по физике 2011 года за исследование парадокса Хаббла.

JWST обладает более высоким разрешением и чувствительностью в ближней инфракрасной области спектра. «Хаббл» же лучше работает в более коротких волнах.

Самое значительное преимущество «Хаббла» заключается в его длительной работе, что позволяет ему накопить гораздо больше данных. Однако как только JWST соберет достаточное количество информации, он сможет превзойти «Хаббл» или же они могут использоваться совместно для изучения «напряженности Хаббла».

На данный момент результаты JWST почти идеально коррелируют с существующими данными, предоставляя более убедительные доказательства того, что проблема заключается не в точности наших измерений. В таком случае, по словам Рисса, проблема может быть в теории.

— Если не удается найти недостатки в измерениях, то все более вероятным становится сценарий с недостатком в модели, — говорит ученый.

Что такое модель ΛCDM и почему она предсказывает другую постоянную Хаббла?

Модель ΛCDM основывается на концепции космологической постоянной (Λ), связанной с тёмной энергией, и существовании холодной темной материи. Темная энергия составляет около 68% энергии Вселенной и отвечает за ее расширение, в то время как темная материя влияет на вращение галактик и составляет 27%. Обычная материя составляет только 5%. Эта модель отражает факты и согласуется с наблюдениями за реликтовым излучением.

— По сути, ΛCDM предсказывает физический размер флуктуаций материи/температуры во Вселенной после Большого взрыва. Реликтовое излучение используется для измерения углового размера этих флуктуаций, а сравнение этих двух величин позволяет определить постоянную Хаббла,  — говорит Рисс.

«Натяжение Хаббла» указывает на проблемы в современных космологических моделях. Рисс считает, что причина может быть связана с темной энергией или темной материей. Ли полагает, что несовершенное понимание темной материи может быть источником проблемы, отмечая, что для темной энергии существует много вариантов, но точная модель отсутствует, и исследования продолжаются.

В декабре нас ожидают удивительные события на небесах: встреча с «Семью сестрами» и «Холодной луной», а если повезет, то до конца года мы сможем наблюдать еще два метеорных потока. Подробности в материале 56orb.