Вселенная, по-видимому, расширяется с разными скоростями

Астрономы пришли к выводу, что Вселенная, по-видимому, расширяется с разными скоростями в зависимости от того, куда мы смотрим.

Эта проблема, известная как напряженность Хаббла, потенциально может изменить космологию или даже перевернуть ее с ног на голову. В 2019 году измерения, проведенные космическим телескопом Хаббла, подтвердили реальность загадки; в 2023 году еще более точные измерения, проведенные космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), закрепили несоответствие.

Тройная проверка, проведенная обоими телескопами, навсегда устранила возможность любой ошибки в измерениях. Исследование, опубликованное в Astrophysical Journal Letters, предполагает, что с нашим пониманием Вселенной может быть что-то серьезно не так.

"Теперь, когда ошибки измерений сведены на нет, остается реальная возможность того, что мы неправильно понимаем Вселенную", - говорит ведущий автор исследования Адам Райсс, профессор физики и астрономии Университета Джона Хопкинса.

Райсс, Сол Перлмуттер и Брайан П. Шмидт получили Нобелевскую премию по физике 2011 года за открытие в 1998 году темной энергии, таинственной силы, стоящей за ускоряющимся расширением Вселенной.

В настоящее время существуют два метода "золотого стандарта" для определения постоянной Хаббла - величины, которая описывает скорость расширения Вселенной. Первый предполагает изучение крошечных колебаний космического микроволнового фона (CMB) — древнего реликта первого света Вселенной, возникшего всего через 380 000 лет после Большого взрыва.

В период с 2009 по 2013 год астрономы нанесли на карту этот микроволновый туман, используя спутник Планк Европейского космического агентства, чтобы вывести постоянную Хаббла, равную, примерно, 67 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк).

Во втором методе используются пульсирующие звезды, называемые переменными цефеидами. Звезды-цефеиды умирают, и их внешние слои газообразного гелия растут и сжимаются по мере поглощения и высвобождения излучения звезды, заставляя их периодически мерцать, как далекие сигнальные лампы. 

По мере того, как цефеиды становятся ярче, они пульсируют медленнее, что дает астрономам возможность измерить их абсолютную яркость.

Сравнивая эту яркость с их наблюдаемой яркостью, астрономы могут выстроить цефеиды в "лестницу космических расстояний". Астрономы могут определить точное число расширения этой лестницы, исходя из того, насколько свет цефеид был растянут или смещен в красный цвет.

Но именно здесь начинается тайна. Согласно измерениям переменной цефеид, проведенным Райссом и его коллегами, скорость расширения Вселенной составляет около 74 км/с/Мпк: невероятно высокое значение по сравнению с данными, полученными спутником Планка. 

"Мы бы назвали это не напряженностью или проблемой, а скорее кризисом", - астроном и лауреат Нобелевской премии Дэвид Гросс на конференции 2019 года в Институте теоретической физики Кавли (KITP) в Калифорнии (США).

Первоначально некоторые ученые думали, что несоответствие может быть результатом ошибки измерения, вызванной смешением цефеид с другими звездами в апертуре Хаббла. Но в 2023 году исследователи использовали более точный JWST, чтобы подтвердить, что на первых нескольких "ступенях" космической лестницы их измерения Хаббла были правильными. Тем не менее, оставалась возможность ошибки по мере углубления в прошлое Вселенной.

Чтобы решить эту проблему, Райсс и его коллеги, основываясь на своих предыдущих измерениях, провели наблюдение еще 1000 звезд-цефеид в пяти галактиках, удаленных от Земли на 130 миллионов световых лет. Сравнив свои данные с данными Хаббла, астрономы подтвердили свои прошлые измерения постоянной Хаббла.

"Теперь мы охватили весь диапазон того, что наблюдал Хаббл, и мы можем исключить ошибку измерения как причину напряженности Хаббла с очень высокой степенью уверенности", - сказал Райсс.