Астрономы уточнили постоянную хаббла и возраст вселенной. Постоянная хаббла и эволюция стационарной вселенной

Когда говорят, что нашей Вселенной 13,7 миллиардов лет, обычно забывают указать неточность, с которой определена эта величина. А неопределённость эта складывается из множества составляющих и в итоге достигает примерно 6-7%, если принимать стандартную на сегодняшний день космологическую модель, а то и всех 15%, если «отпустить» параметры. Так что астрономам на деле следовало бы писать, что нашему миру примерно от 12 до 15 миллиардов лет, и не смешить метрологов выписыванием трёх значащих цифр для этого плохо измеренного параметра.

Тем не менее, установить некоторый «канонический» возраст удобно. Дело в том, что эволюцию Вселенной в относительных величинах мы представляем себе очень неплохо. Например, можно без зазрения совести утверждать, что гамма-всплеск GRB 090423, являющийся на данный момент самым далёким видимым объектом во Вселенной , произошёл, когда возраст нашего мира составлял 4,6% от нынешнего. А вот говорить, что он случился 13,1 миллиарда лет назад — некоторое лукавство. По-хорошему, в таких случаях всегда надо добавлять «принимая возраст Вселенной равным 13,7 миллиарда лет», а для полных педантов потребуется дополнение «и стандартную космологическую модель».

Задача определения абсолютного возраста мира упирается в измерение современного значения так называемой постоянной Хаббла, H 0 , определяющей истинную, метрически выраженную, скорость расширения нашего мира.

Эта величина показывает насколько галактики, которые расположены дальше от нас, быстрее от нас убегают.

Например, если постоянная Хаббла равна 70 км/c на мегапарсек (H 0 =70 км/c/Мпк), то галактики, которые мы видим на расстоянии в 10 Мпк, убегают от нас со средней скоростью 700 км/c, а галактики, которые мы видим на расстоянии в 11 Мпк - со скоростью 770 км/c. Там, где скорость расширения достигает скорости света, находится «граница» нашего мира, за которой мы уже ничего не видим, и чем больше значение H 0 , тем ближе этот горизонт, и тем моложе наша Вселенная.

Чтобы определить постоянную Хаббла надо, очевидно, измерить скорость галактик и расстояние до них. С первым проблем нет: смещение линий в спектрах объектов из-за эффекта Доплера позволяет легко и непринуждённо вычислить скорость убегания.

А вот определение расстояний в астрономии — большая проблема. Дотянуть линейку невозможно ни до одного небесного объекта, возможности радарного и лазерного зондирования ограничиваются пределами Солнечной системы, а дальше приходится выстраивать целую «лестницу» космических расстояний, в которой каждая новая ступенька опирается на предыдущую. И если вы ошибочно измерили расстояние от Земли до Солнца, то эта ошибка будет присутствовать и в расстояниях до звёзд, и в расстояниях до далёких галактик, и в возрасте нашего мира.

Учёные из США и Великобритании под руководством Адама Рисса из американского Университета имени Джона Хопкинса провели самую точную на сегодняшний день такую оценку. Для этого они воспользовались космическим телескопом имени Хаббла (того же американского астронома, в честь которого названа постоянная). Работа учёных (PDF-файл) вскоре будет опубликована в Astrophysical Journal.

Как оказалось, «канонический» возраст Вселенной надо чуть сократить.

Примерно до 13,1 миллиарда лет: постоянная Хаббла H 0 =74,2 км/c/Мпк — чуть больше, чем ранее считалось. И точность определения этой величины теперь составляет около 5%, даже если не ограничивать себя рамками стандартной космологической модели.

«Лестница космических расстояний» Рисса и его коллег состоит из трёх основных ступенек. На первой ступени находится галактика NGC 4258 (или M 106), расположенная в созвездии Гончих Псов. Вокруг чёрной дыры, расположенной в её центре, крутится диск вещества, в состав которого входят молекулы воды. Эти молекулы излучают очень тонкие, так называемые мазерные линии, по которым можно точно измерить скорость вращения диска. Несложная геометрия этого движения и точные наблюдения с помощью радиотелескопов позволили астрономам вычислить расстояние до галактики, которое составляет 7,2 Мпк (примерно 23 миллиона световых лет).

Это измерение, в свою очередь, позволило очень точно определить истинную светимость переменных звёзд из класса цефеид. Для этих периодически пульсирующих звёзд известна чёткая зависимость: чем больше период колебаний, тем больше истинный блеск. Период колебаний померить несложно: острое зрение телескопа имени Хаббла позволяет построить кривые блеска для отдельных звёзд в этой не такой уж близкой галактике. А по среднему наблюдаемому блеску и точно измеренному расстоянию учёные восстановили и истинный блеск цефеид, который понадобился для калибровки следующей ступеньки «лестницы».

На ней оказались 6 галактик на промежуточных расстояниях, в которых ещё видны отдельные цефеиды и в которых за последние три десятилетия вспыхивали сверхновые типа Ia. Расстояния до этих галактик определили по видимому среднему блеску переменных звёзд и их светимости, используя закон, откалиброванный на предыдущей ступеньке.

При этом ключевым является то обстоятельство, что цефеиды во всех 7 галактиках наблюдались одним и тем же инструментом.

А значит, взаимные расстояния до 6 галактик - и сверхновых в них - прочно опираются на расстояние до NGC 4258, определённое точным геометрическим методом.

Из этих измерений и наблюдаемого блеска сверхновых типа Ia Рисс и его коллеги вывели истинную светимость последних. Эта величина практически постоянна, так как соответствует взрыву белого карлика, который «перебрал» вещества со звезды-соседки и взорвался. Предел, за которым следует взрыв, одинаков для всех звёзд, потому одинакова и светимость.

После этого оставалось лишь сравнить скорости удаления далёких галактик, в которых сверхновые ещё видны, а цефеиды — уже нет, с наблюдаемым блеском сверхновых, что, благодаря чётко определённой предыдущей ступеньке, тут же даёт расстояние. Поделив разницу в скорости на разницу в расстоянии, учёные получили новое значение постоянной Хаббла H 0 .

Примечательно, что эта оценка прямая и не зависит от космологической модели. И следовательно, сравнивая её с теми оценками, которые от модели зависят, можно протестировать сами модели.

Именно это и сделали учёные на последнем этапе своей работы. Результаты показывают, что стандартная космологическая модель — так называемая ΛCDM-модель — пока держит удар. Она предполагает, что наша Вселенная плоская, наполнена холодной тёмной материей, и содержит загадочную «космологическую постоянную» Λ , которая последние несколько миллиардов лет заставляет наш мир расширяться с ускорением.

По данным Рисса и его коллег, Λ — величина действительно постоянная на протяжении большей части жизни Вселенной. Если быть более точным, то новые данные показывают, что так называемое уравнение состояния w+1, показывающее степень переменности Λ, равно нулю с точностью +/-12%. До сих пор этот параметр был известен почти втрое хуже.

В настоящее время та же команда планирует улучшить точность определения космологических параметров минимум в 5 раз. И в этом проекте они рассчитывают на помощь космического телескопа имени Хаббла. В понедельник с последней ремонтной миссией к 18-летнему космическому аппарату отправится шаттл Atlantis. Астрономы скрещивают пальцы, чтобы всё прошло благополучно.

В свое время закон Хаббла сделал переворот в профессиональной астрономии. В начале ХХ века американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная не статична, как казалось ранее, а постоянно расширяется.

Постоянная Хаббла: данные с различных космических аппаратов

Закон Хаббла – физико-математическая формула, доказывающая, что наша Вселенная постоянно . Причем расширение космического пространства, в котором находится и наша галактика Млечный путь, характеризуется однородностью и изотропией. То есть, наша Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях. Формулировка закона Хаббла доказывает и описывает не только теорию расширение Вселенной, но и главную идею ее происхождения – теорию .

Наиболее часто в научной литературе закон Хаббла встречается под следующей формулировкой: v=H0*r. В этой формуле v означает скорость галактики, H0 – коэффициент пропорциональности, который связывает расстояние от Земли до космического объекта со скоростью его удаления (этот коэффициент еще называют «Постоянной Хаббла»), r – расстояние до галактики.

В некоторых источниках встречается другая формулировка закона Хаббла: cz=H0*r. Здесь c выступает, как скорость света, а z символизирует собой красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую красную сторону спектра по мере их удаления. В физико-теоретической литературе можно обнаружить и другие формулировки данного закона. Однако от разности формулировок суть закона Хаббла не меняется, а его суть заключается в описании того факта, что наша непрерывно расширяется во всех направлениях.

Открытие закона

Возраст и будущее Вселенной может быть определено путем измерения постоянной Хаббла

Предпосылкой к открытию закона Хаббла был целый ряд астрономических наблюдений. Так, в 1913 году американский астрофизик Вейл Слайдер обнаружил, что и несколько других огромных космических объектов движутся с большой скоростью, относительно Солнечной системы. Это дало ученому основание предположить, что туманность – это не формирующиеся в нашей галактике планетарные системы, а зарождающиеся звезды, которые находятся за пределами нашей галактики. Дальнейшее наблюдение за туманностями показало, что они не только являются другими галактическими мирами, но и постоянно удаляются от нас. Этот факт дал возможность астрономическому сообществу предположить, что Вселенная постоянно расширяется.

В 1927 году бельгийский ученый-астроном Жорж Леметр экспериментально установил, что галактики во Вселенной удаляются друг от друга в космическом пространстве. В 1929 году американский ученый Эдвин Хаббл при помощи 254-сантиметрового телескопа установил, что Вселенная расширяется и галактики в космическом пространстве удаляются друг от друга. Используя свои наблюдения, Эдвин Хаббл сформулировал математическую формулу, которая по сегодняшний день точно описывает принцип расширения Вселенной, и имеет огромное значение, как для теоретической, так и практической астрономии.

Закон Хаббла: применение и значение для астрономии

Закона Хаббла имеет огромное значение для астрономии. Его широко применяют современные ученые в рамках создания различных научных теорий, а также при наблюдении космических объектов.

Главное значение закона Хаббла для астрономии заключается в том, что он подтверждает постулат: Вселенная постоянно расширяется. Вместе с этим закон Хаббла служит дополнительным подтверждением теории Большого взрыва, ведь, как считают современные ученые, именно Большой взрыв послужил толчком для расширения «материи» Вселенной.

Закон Хаббла позволил выяснить также, что Вселенная расширяется во всех направлениях одинаково. В какой точке космического пространства не оказался бы наблюдатель, если он посмотрит вокруг себя, он заметит, что все объекты вокруг него одинаково от него удаляются. Наиболее удачно этот факт можно выразить цитатой философа Николая Кузанского, который еще в XV веке сказал: «Любая точка есть центр Безграничной Вселенной».

При помощи закона Хаббла современные астрономы могут с высокой долей вероятности просчитывать положение галактик и скоплений галактик в будущем. Точно так же с его помощью можно вычислить предположительное месторасположение любого объекта в космическом пространстве, спустя определенное количество времени.

1. Величина, обратная постоянной Хаббла, равна примерно 13,78 миллиардам лет. Эта величина указывает на то, сколько времени прошло с момента начала расширения Вселенной, а значит, вполне вероятно указывает и на ее возраст.
2. Наиболее часто закон Хаббла используют для определения точных расстояний до объектов в космическом пространстве.

3. Закон Хаббла определяет удаление от нас далеких галактик. Что касается ближайших к нам галактик, то здесь его действие не так ярко выражено. Связано это с тем, что эти галактики помимо скорости, связанной с расширением Вселенной, обладают еще и своей собственной скоростью. В связи с этим они могут, как удаляться от нас, так и приближаться к нам. Но, в общем и целом закон Хаббла актуален для всех космических объектов во Вселенной.

Великий американский астроном Эдвин Хаббл установил, что если рассматривать галактики достаточно удаленные от нашего Млечного пути (более 15 млн св. лет), то получается, что чем дальше от нас галактика находится, тем быстрее она от нас удаляется

v = H 0 r

Сегодня мы полагаем, что такую закономерность объяснить можно единственным образом: это не галактики все дружно летят почему-то именно от нас, это расширяется само пространство, сама Вселенная. Т.е. все галактики, находящиеся достаточно далеко от нас дружно удаляются друг от друга - не потому что они так движутся, движутся они хаотично, просто "растягивается" пространство между ними.

Как бы мы ни интерпретировали наблюдения, измерения и уточнения значения постоянной Хаббла с тех пор становится одной из фундаментальных задач наблюдательной астрономии. И вот последние "вести с полей"

С помощью телескопов Gaia и «Хаббл» астрономы выполнили самые точные измерения скорости расширения Вселенной, сообщается в журнале The Astrophysical Journal . Они определили расстояния между соседними галактиками, наблюдая за цефеидами - пульсирующими переменными звездами, которые традиционно используются астрономами в качестве «стандартных свеч». По новым данным, постоянная Хаббла H0 составляет 73,5 километров в секунду на мегапарсек - то есть расхождение между уже известными значениями оказалось еще больше, чем считалось ранее.

Почти 100 лет назад астрофизик Эдвин Хаббл, наблюдая за далекими галактиками, определил, что они не стоят на месте, а постепенно разбегаются в стороны, причем скорость удаления конкретной галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее. Сегодня этот закон называется законом Хаббла, а входящую в него постоянную - постоянной Хаббла. Чуть позже, в конце 20 века, ученые, наблюдавшие за сверхновыми первого типа, выяснили еще одну особенность: оказалось, что Вселенная расширяется не с постоянной скоростью, а с ускорением. Причиной этому может быть темная энергия, которая действует на материю как своеобразная «антигравитация».

С увеличением точности измерений, астрономы столкнулись с проблемой: разные способы определения постоянной Хаббла приводят к разным результатам, противоречащим друг другу. Например, измерение углового разрешения колебаний реликтового излучения, которое выполнила обсерватория «Планк», дало значение H 0 = 67,6 ± 0,6 километров в секунду на мегапарсек, а сопоставление расстояния и красного смещения удаленных сверхновых приводит к величине H 0 = 73,24 ± 1,74 километров в секунду на мегапарсек. Это расхождение - одна из больших проблем в современной астрофизике.

Группа астрономов под руководством нобелевского лауреата Адама Рисса (Adam Riess), получившего премию за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых, «подогрела» это противоречие, получив данные с помощью телескопов Gaia и «Хаббл». Астрономы посчитали расстояние до окружающих галактик по цефеидам. Этот класс звезд имеет хорошо установленную зависимость между периодом изменения блеска и звездной величиной - чем ярче звезда, тем медленнее она пульсирует. Если нам известны две звезды, которые пульсируют с одним и тем же периодом, и расстояние до одной из них (определенное методом параллакса), то расстояние до другой можно определить по несложной формуле.

Исследователи сравнили абсолютную звездную величину 50 цефеид, определенную благодаря телескопу «Хаббл», с видимой звездной величиной, и определили расстояние до них. Затем исследователи уточнили данные с помощью телескопа Gaia, который с большой точностью измеряет параллакс и собственные движения звезд. Это позволило исследователям откалибровать данные и более точно определить расстояния до цефеид вне нашей Галактики.

По новым данным, постоянная Хаббла H 0 составляет 73,52 ± 1,62 километров в секунду на мегапарсек. Это значит, что галактики, которые мы видим на расстоянии 10 мегапарсек, убегают от нас со скоростью 735 километров в секунду, а галактики, которые мы видим на расстоянии в 11 мегапарсек - со скоростью 808 километров в секунду. Эта величина сильно расходится с данными обсерватории «Планк». Несоответствие между полученными разными методами значениями постоянной Хаббла составляет более 3,8 сигма. Таким образом, чем более точными становятся измерения, тем сильнее расхождение, объяснить которое ученые пока что не могут.

Кристина Уласович для сайта N+1

Попытка объяснить необъяснимое
Разумеется, столь заметные расхождения в полученных значениях столь важной величины сама по себе тревожна: или мы где-то зевнули грубую ошибку, или ошибочны наши самые основные представления об устройстве Вселенной. И это заставляет ученых напрягаться.

Но мне пришла охота порассуждать не об этом. А об одной вещи, которую я сам долго не понимал совсем, а потом стал понимать, но плохо. И мне кажется, что подобные трудности непонимания должны возникать не только у меня.
Речь пойдет о размерах Вселенной.

Наивное рассуждение
Вот 13,7 млрд лет назад случился Большой взрыв. И все полетели в разные стороны. Ну пускай даже со скоростью света. Тогда сегодня радиус Вселенной - 13,7 миллиардов световых лет, диаметр (расстояние между двумя самыми удаленными точками) грубо вдвое больше - 27 млрд. св. лет.
Но т.к. расширяться со скоростью света невозможно - то наверняка меньше.
Смотрим в Вики и видим оценку - примерно 93 млрд световых лет - ВТРОЕ БОЛЬШЕ!
Это как такое может быть??? (это уже сидя на полу и растерянно озираясь - как я сюда попал?)

Пытаемся прикинуть
Та-акс, считаем: постоянная Хаббла по последним данным 73,5 км/сек на мегапарсек ≈ 22км/сек на миллион световых лет расстояния, 22000 км/сек на миллиард световых лет расстояния.

А давайте прикинем - на каком расстоянии скорость удаления сравняется со скоростью света?
Простой расчет L = 300 000/ 22 000 млрд световых лет ≈ 13,63 миллиарда световых лет
С ума сойти - почти в точности возраст Вселенной? Трудно поверить в случайность совпадения.
Т.е. постоянная Хаббла связана с возрастом Вселенной? (опять ошарашено озираюсь - тут что-то не так)

И невозможное возможно
Да, нельзя двигаться быстрее скорости света, ну вот совсем нельзя.
Но ведь никто быстрее скорости света и не двигается. просто в грубом приближении (для наглядности) мы живем на поверхности шарика из резины. Шарик раздувается, никто не знает почему, но именно это утверждает постоянная Хаббла.

Для простоты считайте даже что это не шарик, а полоса из резины. Вот есть две точки на полосе из резины. Ее растягивают. И хотя точки вовсе не движутся, расстояние между ними растет.
Просто растет расстояние - на растяжение пространства ограничения теории относительности не распространяются. Тут скорости могут быть любыми.

Представьте себе, что вы стоите на такой бесконечной полосе, расстояние от вас до пушки 200км, и она в вас выстрелила снарядом, который летит со скоростью 100км/час. При этом резина растягивается на 10 процентов за час. За те 2 часа, что летит снаряд, она растянется на 20%, - и расстояние между вами и пушкой станет уже не 200 а 240 км.

В ньютоновской механике это означает, что в реальности будет не так - ведь уже через час резина удлинится на 10 процентов, и вторая половина расстояния, которую снаряду придется преодолевать, уже будет не 100 а 110 км (реально даже больше, и для точности нужно решать диф. уравнение,но нам сейчас это не важно) и он будет лететь не два часа а дольше, а пушка окажется не на 240 км а на 247км но это уже детали.

А теперь поглядим поближе к реальности.
Дело в том, что свет не снаряд, он преодолеет расстояние за то же самое время.
Это уже чисто релятивистский эффект - время вдоль луча света вообще стоит. Но то, что пространство растянулось, все же скажется - скажется на его цвете. Потому, что растяжение пространства означает что растянулись и расстояния между соседними гребнями световой волны, возросла длина волны - это и есть "красное смещение", именно по "покраснению" спектральных линий мы и определяем "хаббловское расстояние".

Однако то, что за время путешествия света расстояние между объектами изменилось, - вот это правда. И если свет к нам летел 13 миллиардов световых лет, и мы отправим свет от того же самого объекта "сегодня" - он к нам за 13 миллиардов уже не долетит, времени ему понадобится намного больше.

Вот один из самых удаленных наблюдаемых объектов - галактика GN-z11. Свет от нее к нам шел 13,4 миллиарда лет, но сегодня до нее (Сопутствующее расстояние) примерно 32 миллиарда световых лет. т.е. достаточно скоро (по астрономическим меркам) она "уйдет за наблюдаемый горизонт", т.е. скорость ее удаления превысит скорость света - и уже никакой обмен сигналами между нами и ею не будет возможен. (вспомним оценку скорости удаления из пункта "Пытаемся прикинуть ")

Автор хотя отчасти но отдает себе отчет и в степени своего невежества и в степени вульгаризации космологии. Но он пытался помочь хоть что-то понять тем, кто еще хуже это понимает, но любопытствует.
Вот тут совсем не знаю, была ли попытка хоть чуточку успешной

С помощью космического телескопа “Хаббл” астрономы в очередной раз совершили самые точные измерения скорости расширения вселенной. Интересно в этих исследованиях то, что их результаты вынуждают учёных предполагать, что они наблюдают доказательство чего-то неожиданного, что действует во вселенной.

А всё потому, что последнее открытие “Хаббла” подтверждает мучающее научное сообщество предположение о том, что сейчас вселенная расширяется быстрее, чем выходило по первоначальным расчётам. Исследователи говорят, что для объяснения этого несоответствия необходимо вводить некую новую физику.

“Научное сообщество действительно очень нуждается в понимании значения этого несоответствия”, – Адам Рисс, ведущий исследователь по теме и лауреат Нобелевской премии из Института исследования космоса с помощью космического телескопа.

Рисс и его команда работал с космическим телескопом “Хаббл” на протяжении шести лет. И всё это время они уточняли измерения расстояний до галактик, используя их звёзды в качестве маркеров. Эти исследования используются для того, чтобы вычислить, как быстро вселенная расширяется со временем. Это значение известно как постоянная “Хаббла”. Проведённое исследование уникально тем, что в нём анализировались звёзды на расстояниях в десять раз больших, чем во всех предыдущих работах.

Но значение, которое получил Рисс укрепляет несоответствие по сравнению с ожидаемым значением, которое получено по наблюдениям за расширением ранней вселенной, то есть спустя 378000 лет после Большого Взрыва. Сейчас общепринято, что именно в результате этого события возникла вселенная 13.8 миллиарда лет назад. Измерения по ранней вселенной проводил космический аппарат “Планк” Европейского Космического Агентства, он же создал карту распределения космического микроволнового фона – пережитка Большого Взрыва. Различия между этими двумя значениями составляют примерно 9 процентов. Новые измерения “Хаббла” даже снизили вероятность ошибки возникновения несоответствия до отношения 1 к 5000.

Эта иллюстрация показывает, как астрономы в три шага измеряли скорость расширения вселенной (постоянной Хаббла), уменьшив общую неопределённость до 2.3 процента. Источник: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

Результаты “Планка” показали, что постоянная Хаббла теперь должна составлять 67 километров в секунду на мегапарсек. Это означает, что на каждые 3.3 миллиона световых лет от нас скорость галактик увеличивается на 67 километров в секунду. Но команда Рисса получила значение 73 километра в секунду на мегапарсек, что указывает на более быстрое перемещение галактик, чем это выходило по наблюдениям за ранней вселенной. Данные “Хаббла” настолько точны, что астрономы не могут принять такой разрыв между измерениями за какую-то ошибку в методе исследования.

“Оба результата были многократно проверены, мы просто не можем получить серию не связанных ошибок. Всё больше и больше вероятность того, что это не ошибка, а особенность вселенной”.

Объяснение странного несоответствия

Рисс в общих чертах обрисовал несколько возможных объяснений этому несоответствию, и все они связаны с 95-ю процентами вселенной, которая для нас скрыта во мраке. По одной версии тёмная энергия, которая, как сейчас известно, ускоряет космическое пространство, может расталкивать галактики друг от друга с ещё большей, или растущей, силой. Это означает, что само ускорение не может иметь постоянного значения во вселенной, но изменяется в течение длительного времени. Стоит отметить, что Рисс получил в 1998 году Нобелевскую премию как раз за открытие расширяющейся Вселенной.

Другая идея состоит в том, что вселенная содержит новую субатомную частицу, которая перемещается со скоростью, близкой к скорости света. Такие частицы в общем называют тёмным излучением, к ним относят известные ранее нейтрино, которые создаются в ядерных реакциях и при радиоактивных распадах. В отличие от нормального нейтрино, которое взаимодействует посредством субатомной силы, эта новая частица ощущает только воздействие гравитационной силы, поэтому её называют стерильным нейтрино. Ещё одна возможность, которая привлекает исследователей, состоит в том, что тёмная материя (невидимая форма материи, не состоящая из протонов, нейтронов и электронов) сильнее взаимодействует с нормальной материей или излучением, чем ранее предполагалось.

На этом изображении показаны две из 19 галактик, проанализированных в проекте уточнения постоянной Хаббла. NGC 3972 слева, NGC 1015 справа, они расположились на расстоянии 65 миллионов и 118 миллионов световых лет соответственно. Жёлтые круги в каждой галактике показывают положение пульсирующих звёзд класса цефеид. Источник: NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)

У всех этих сценариев есть одно общее: любой из них подразумевает изменение состояния ранней вселенной, что неизбежно приведёт к несоответствиям в теоретических моделях. Эти несоответствия привели бы к неправильной постоянной Хаббла, которая получена именно из наблюдений за молодым космосом. Это значение тогда противоречило бы числу, полученному по наблюдениям “Хаббла”.

У Рисса и его коллег нет ещё ответов на эту животрепещущую проблему, но его команда продолжает работать над уточнением темпа расширения вселенной. Уже сейчас команде учёных удалось уточнить неопределённость 2.3 процента. До запуска “Хаббла” в 1990 году оценка постоянной Хаббла варьировалась в два раза. Одна из основных целей телескопа как раз и состояла в том, чтобы помочь астрономам сократить значение этой неопределённости к погрешности не более десяти процентов. С 2005 года группа была в поисках усовершенствования этой точности до тех значений, которые наверняка позволят лучше понимать поведение вселенной.

Надёжная шкала расстояний

Команда Рисса преуспела в уточнении значения постоянной Хаббла, оптимизировав и укрепив правильность своеобразной космической “лестницы” расстояний, которую астрономы используют, чтобы измерить точные расстояния до галактик, как близких к Земле, так и удалённых. Исследователи сравнили эти расстояния с расширением космического пространства, которое измеряется по удлинению волны света разлетающихся галактик. После этого удалось использовать видимую скорость разбегания галактик на каждом расстоянии, чтобы вычислить эту постоянную.

Но получить значение этой константы можно так точно, насколько позволяет точность измерений. Астрономы не могут воспользоваться линейкой, чтобы точно измерить расстояния между галактиками. Вместо этого был выбран специальный класс звёзд и сверхновых в качестве критериев и маркеров, соответствующих различным расстояниям.

Среди самых надёжных звёзд для более коротких расстояний выделяют цефеиды – пульсирующие звёзды, которые периодически увеличивают и уменьшают свою светимость. А сама их светимость соответствует их внутренней яркости. Поэтому легко можно вывести расстояния, на которых они расположились от нас, сравнив их собственную светимость с видимой.

Астроном Генриетта Суон Ливитт была первой, кто поняла полезность переменных цефеид для измерения расстояния во вселенной. Произошло это более ста лет назад в 1913 году. Но надо было сделать первый шаг и измерить точное расстояние до самой цефеиды. Для этого использовался основной геометрический метод в астрономии под названием параллакс. Параллакс – видимое изменение позиции объекта в зависимости от изменения точки расположения наблюдателя. Этот метод был изобретён древними греками, которые использовали его, чтобы измерить расстояние от Земли до Луны.

Самые свежие результаты “Хаббла” основываются на измерениях параллакса восьми цефеид, находящихся в Млечном Пути. Интересно здесь то, что эти звёзды расположены в десять раз дальше всех остальных, по данным которых измерялись расстояния. Они, также, пульсируют с большими интервалами, совсем как цефеиды, наблюдаемые в отдалённых галактиках и являющиеся другим надёжным критерием измерения расстояния – сверхновыми типа Ia. Сверхновые этого типа всегда взрываются с одинаковой светимостью и всегда достаточно ярки, чтобы их можно было заметить на больших расстояниях. В предыдущих исследованиях “Хаббл” изучал переменные цефеиды на расстояниях от 300 до 1600 световых лет от Земли.

Сканирование звёзд

Чтобы с помощью “Хаббла” измерить параллакс, исследователи должны измерить крошечные видимые отклонения цефеид по мере того, как Земля движется вокруг Солнца. Тогда, при смещении нашей планеты в сторону, изучаема\ цефеида будет отклоняться в сторону на фоне более удалённых объектов. Причём, это отклонение имеет значение в 1/100 размера пикселя телескопа, который за ним наблюдает. Это то же самое, что и попытаться изучить истинный размер песчинки, находясь от неё на расстоянии в 200 километров.

Поэтому, чтобы гарантировать точность измерений, астрономы разработали интересный метод, осуществление которого и не предполагалось во время запуска “Хаббла”. Исследователи изобрели метод сканирования, при котором телескоп измерял позицию звезды тысячу раз в минуту каждый шесть месяцев в течение четырёх лет.

Затем была откалибрована истинная яркость восьми медленно пульсирующих звёзд и коррелировала с их более далёкими родственниками, чтобы ещё больше сократить погрешность лестницы расстояний. После исследователи сравнили яркость цефеид и сверхновых в галактиках с большей точностью, таким образом, они могли более точно измерить истинную яркость звёзд и вычислить расстояния до сотен сверхновых с ещё большей точностью.

Другое преимущество этого исследования состоит в том, что с помощью всё той же камеры WFC3 команда сумела откалибровать яркости соседних цефеид и объектов в других галактиках, устранив, таким образом, систематические ошибки, которые почти неизбежно возникают в результате объединения данных от разных телескопов.

“Обычно, если каждые шесть месяцев вы пытаетесь отследить изменение позиции одной звезды относительно другой на таких больших расстояниях, вы ограничены возможностью понимания того, где точно расположена эта звезда. Наш метод позволяет измерить чрезвычайно крошечные смещения из-за параллакса. Мы измеряем разделение между двумя звёздами не только по одному пикселю на камере, но много тысяч раз, уменьшая ошибки сканирования”.

Цель команды заключается в том, чтобы со временем ещё больше уменьшить неопределённость, но уже с использованием данных “Хаббла” и космической обсерватории “Гайя”, которая измеряет позиции и расстояния до миллионов звёзд с беспрецедентной точностью. Предполагается, что именно тогда и удастся диагностировать причину этого несоответствия.