Исправить Вселенную: покорилась ли астрономам постоянная Хаббла

Чуть более столетия назад человечество убедилось в существовании других галактик. В 1923 году американский астроном Эдвин Хаббл измерил расстояние до туманностей Андромеды и Треугольника. Оказалось, что эти «звездные острова» находятся далеко за пределами Млечного Пути и сопоставимы с ним по размерам. Вскоре выяснился другой поразительный факт: практически все галактики удаляются от Земли. Причем чем дальше они находятся, тем быстрее убегают. Скорость галактики V связана с расстоянием до нее R простой формулой: V = HR. Эту формулу назвали законом Хаббла, а коэффициент H — постоянной Хаббла, хотя к его открытию привели труды множества ученых.

Почему галактики удаляются именно от Земли? Разве Земля — центр мира? Отнюдь нет, это всего лишь точка, из которой мы наблюдаем расширение Вселенной. Представьте себе резиновую скатерть, на которую маркером нанесли россыпь точек. Скатерть тянут за края во все стороны, и она расширяется. Все точки удаляются друг от друга. В какой бы из них ни стоял наблюдатель, ему будет казаться, что остальные точки разбегаются от него. Если в галактике Андромеды есть астрономы, они открыли точно такой же закон Хаббла.

От постоянной Хаббла зависит много больше, чем разбегание галактик. Это одна из главных «настроек» Стандартной космологической модели — главной теории строения и эволюции Вселенной. Изменив эту величину, мы получили бы иную Вселенную с другой материей и другой историей.

Путаница в показаниях

Понятно, что астрономы хотят знать постоянную Хаббла как можно точнее. Но вплоть до конца XX века точность таких измерений оставляла желать лучшего. Астрономы могли ручаться лишь, что они ошибаются не более чем в два раза.

Все снова изменил «Хаббл» — на сей раз не ученый, а телескоп, запущенный в 1990 году. Он позволил измерять скорости галактик и расстояния до них с беспрецедентной точностью. Самое точное значение постоянной Хаббла, опубликованное в 2022 году, составляло H = 73,04 ± 1,04 км/с на мегапарсек. Проблема в том, что это значение никак не сходится с другим, полученным благодаря реликтовому излучению. 

Сразу после Большого взрыва — примерно 13,7 млрд лет назад, космос заполняло горячее вещество и излучение. Фотоны излучения то и дело наталкивались на частицы вещества. Можно сказать, что материя и излучение были перемешаны. Но Вселенная расширялась, энергия распределялась по все большему объему, и вещество остывало. Через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что атомные ядра объединились с электронами в атомы. Космос стал прозрачен для излучения, и с тех пор реликтовые фотоны блуждают по космическим безднам.

На свойства «реликта» наложили свой отпечаток бурные процессы, шедшие в ранней Вселенной. Тщательно изучив древнее излучение, можно определить среди прочего и постоянную Хаббла. Последняя оценка составляет H = 67,4 ± 0,5 км/с на мегапарсек. 

Невооруженным глазом видно, что результаты «по галактикам» и «по реликту» не вяжутся друг с другом. Это расхождение, известное как напряжение Хаббла, много лет было головной болью астрономов. Как нас учили в школе, правильный ответ на задачу не зависит от способа решения. Если получаются разногласия, значит, астрономы чего-то не учли.

Может быть, расстояния до галактик определены неправильно? Ведь это тонкая работа: требуется учитывать поглощение света космической пылью и множество других вещей. И самая интригующая возможность: что если Вселенная во времена, о которых рассказывает реликтовое излучение, была не такой, как мы себе представляем? Тогда придется переписывать все космологические теории, придумывать новые частицы и поля — можно сказать, творить Вселенную заново.

Разрядка напряжения

В конце 2021 года на орбиту отправился инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб». Он вчетверо превосходит «Хаббл» по способности различать тонкие детали, лучше видит тусклые объекты, а инфракрасные волны меньше поглощаются в межзвездной среде, чем свет.

Разумеется, астрономы воспользовались такой возможностью уточнить постоянную Хаббла. Авторы недавно вышедшего препринта определили ее по данным о десяти близлежащих галактиках.

Как показывает формула V = HR, для вычисления постоянной Хаббла нужно знать скорость галактики и расстояние до нее. Скорость легко определить по спектру. Измерить дистанцию — гораздо более сложная задача. 

Наблюдаемое небо — это мешанина тусклых, но близких объектов, и ярких, но далеких. Заурядная звезда Млечного Пути и огромный квазар на границе видимой Вселенной в телескоп выглядят одинаково. Но представьте, что мы поставили среди звезд «стандартную свечу». Мы априори знаем, сколько света она излучает. Измерив, сколько света до нас доходит, мы можем вычислить расстояние до нее.

К счастью для астрономов, сама природа расставила в галактиках стандартные свечи нескольких видов. Например, цефеиды — звезды, меняющие свою яркость по определенному закону. Именно по цефеидам Эдвин Хаббл когда-то определил дистанции до туманностей Андромеды и Треугольника. По ним же калибровалась шкала расстояний для телескопа «Хаббл», обнаружившего то самое напряжение. 

Авторы новой работы определили расстояния до галактик, используя три разных вида стандартных свечей: цефеиды, красные гиганты и углеродные звезды. Последние два дали значение постоянной Хаббла H = 69,03 ± 1,75 км/с на мегапарсек. «Цефеидная» постоянная оказалась несколько больше, но тоже согласуется в пределах погрешности с цифрой H = 67,4 ± 0,5 км/с на мегапарсек, полученной по реликтовому излучению.

Похоже, что данные телескопа «Хаббл» оказались не совсем точны. Получившие их астрономы не учли какой-то источник погрешностей. Так что же, напряжение Хаббла снято и революции в космологии не ожидается?

Пока рано судить об этом с уверенностью. Согласие результатов трех независимых методов — это очень хорошо, но 10 галактик — это всего 10 галактик. «Уэбб» продолжает наблюдения, и судьба главной космологической загадки последнего десятилетия вскоре окончательно определится.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора