Webb і Hubble об’єдналися для вирішення загадки швидкості розширення Всесвіту

Одне з трьох наукових обґрунтувань Конгресу США для будівництва космічного телескопа Хаббла полягало в тому, щоб використовувати його спостережну здатність для точного визначення швидкості розширення Всесвіту. До запуску Хаббла в 1990 році спостереження за допомогою наземних телескопів давали величезну невизначеність. Залежно від швидкості розширення Всесвіту може бути десь від 10 до 20 мільярдів років. Протягом останніх 34 років Хаббл скорочував це значення до точності, що наближається до одного відсотка. Це було досягнуто шляхом уточнення так званої «драбини космічних відстаней» шляхом вимірювання золотого стандарту маркерів космічних стовпів, відомих як змінні зірки цефеїди.

Однак результати спантеличили космологів протягом десяти років. Найкращі вимірювання Хаббла показують, що Всесвіт зараз розширюється швидше, ніж передбачалося на основі спостережень за тим, як він виглядав незабаром після Великого вибуху. Ці спостереження були зроблені за допомогою супутникового картографування космічного мікрохвильового фонового випромінювання Планка – свого роду схемою того, як всесвіт розвиватиме структуру після того, як він охолоне після Великого вибуху.

Просте вирішення цієї дилеми полягає в тому, щоб сказати, що, можливо, спостереження Хаббла є хибними через певну повзучу неточність його мірок далекого космосу. Потім з’явився космічний телескоп Джеймса Вебба, щоб перевірити результати Хаббла. Чіткі інфрачервоні зображення цефеїд Вебба узгоджуються з даними Хаббла. Вебб підтвердив, що гостре око телескопа Хаббла весь час було правильним.

Суть полягає в тому, що так звана «напруга Хаббла» між тим, що відбувається в сусідньому Всесвіті, порівняно з розширенням раннього Всесвіту залишається захоплюючою загадкою для космологів. Можливо, у тканину космосу вплетено щось таке, чого ми ще не розуміємо.

Телескопи NASA Webb і Hubble підтверджують швидкість розширення Всесвіту, загадка залишається

Коли ви намагаєтеся вирішити одну з найбільших головоломок у космології, вам слід тричі перевірити домашнє завдання. Головоломка під назвою «Напруга Хаббла» полягає в тому, що поточна швидкість розширення Всесвіту є швидшою, ніж очікували астрономи, виходячи з початкових умов Всесвіту та нашого теперішнього розуміння еволюції Всесвіту.

Вчені, які використовують космічний телескоп NASA Hubble і багато інших телескопів, постійно знаходять число, яке не відповідає прогнозам, заснованим на спостереженнях місії Planck ESA (Європейського космічного агентства). Чи вирішення цієї невідповідності потребує нової фізики? Або це результат помилок вимірювання між двома різними методами, які використовуються для визначення швидкості розширення простору?

Хаббл вимірював поточну швидкість розширення Всесвіту протягом 30 років, і астрономи хочуть усунути будь-які сумніви щодо її точності. Тепер Hubble і космічний телескоп NASA James Webb об’єдналися, щоб провести остаточні вимірювання, підтверджуючи те, що на швидкість розширення впливає щось інше, а не помилки вимірювань.

«З усуненням помилок вимірювань залишається реальна й захоплююча можливість того, що ми неправильно зрозуміли Всесвіт», — сказав Адам Рісс, фізик з Університету Джона Гопкінса в Балтіморі. Рісс отримав Нобелівську премію за співвідкриття того факту, що розширення Всесвіту прискорюється завдяки загадковому явищу, яке зараз називають «темною енергією».

Як перехресну перевірку, початкове спостереження Вебба у 2023 році підтвердило, що вимірювання Хаббла щодо розширення Всесвіту були точними. Однак, сподіваючись зняти напругу Хаббла, деякі вчені припустили, що невидимі помилки у вимірюваннях можуть зростати та ставати видимими, коли ми дивимось глибше у Всесвіт. Зокрема, скупченість зірок може систематично впливати на вимірювання яскравості більш віддалених зірок.

Команда SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) на чолі з Ріссом разом із Веббом отримала додаткові спостереження об’єктів, які є критично важливими космічними маркерами, відомими як змінні зірки цефеїди, які тепер можна співвіднести з даними Хаббла.

«Тепер ми охопили весь діапазон спостережень Хаббла, і ми можемо з дуже високою впевненістю виключити помилку вимірювання як причину напруги Хаббла», — сказав Рісс.

Кілька перших спостережень команди Вебба у 2023 році показали, що Хаббл був на правильному шляху, твердо встановивши точність перших сходинок так званої космічної драбини відстані. (Див. графік нижче.)

Астрономи використовують різні методи для вимірювання відносних відстаней у Всесвіті залежно від об’єкта, який спостерігають. У сукупності ці методи відомі як сходи космічної відстані – кожна сходинка або техніка вимірювання спирається на попередній крок для калібрування.

Але деякі астрономи припустили, що, рухаючись назовні вздовж «другої сходинки», сходи космічної відстані можуть стати хиткими, якщо вимірювання цефеїд стануть менш точними з відстанню. Такі неточності можуть виникати через те, що світло цефеїди може змішуватися зі світлом сусідньої зірки – ефект, який може ставати більш виразним із відстанню, коли зірки скупчуються разом і їх стає важче відрізнити одна від одної.

Проблема спостережень полягає в тому, що минулі зображення телескопа Хаббл цих більш віддалених змінних цефеїд виглядають більш згуртованими та перекриваються сусідніми зірками на все більших відстанях між нами та їхніми головними галактиками, що вимагає ретельного обліку цього ефекту. Поява пилу ще більше ускладнює точність вимірювань у видимому світлі. Вебб розрізає пил і природним чином ізолює цефеїди від сусідніх зірок, оскільки його зір є гострішим, ніж у Хаббла, в інфрачервоному діапазоні.

«Поєднання Webb і Hubble дає нам найкраще з обох світів. Ми виявили, що вимірювання Хаббла залишаються надійними, оскільки ми піднімаємося далі вздовж сходів космічних відстаней», — сказав Рісс.

Нові спостереження Вебба включають п’ять головних галактик із вісьмома надновими типу Ia, що містять загалом 1000 цефеїд, і досягають найдальшої галактики, де цефеїди були добре виміряні – NGC 5468 – на відстані 130 мільйонів світлових років. «Це охоплює весь діапазон, де ми проводили вимірювання за допомогою Hubble. Отже, ми підійшли до кінця другої сходинки космічної відстані», – сказав співавтор Гагандіп Ананд з Наукового інституту космічного телескопа в Балтіморі, який керує телескопами Вебба та Хаббла для NASA.

Подальше підтвердження Хабблом і Веббом напруги Хаббла створює інші обсерваторії, щоб, можливо, вирішити цю таємницю. Римський космічний телескоп імені Ненсі Грейс, який планується створити, проводитиме широкі огляди небес, щоб вивчити вплив темної енергії, таємничої енергії, яка спричиняє прискорення розширення Всесвіту. Обсерваторія Euclid ESA за участі NASA виконує подібне завдання.

Наразі виглядає так, ніби драбина відстані, яку спостерігали Хаббл і Вебб, твердо встановила точку прив’язки на одному березі річки, а післясвітіння Великого вибуху, яке спостерігалося за вимірюваннями Планка від початку Всесвіту, твердо встановлено на іншому боці. . Те, як змінювалося розширення Всесвіту протягом мільярдів років між цими двома кінцевими точками, ще належить безпосередньо спостерігати. «Нам потрібно з’ясувати, чи не втрачаємо ми чогось у тому, як пов’язати початок Всесвіту та сьогодення», — сказав Рісс.