Найбільша криза в космології нарешті отримала рішення

Постійна проблема зі швидкістю розширення Всесвіту, можливо, не потребує переписування всього, що ми знаємо про фізику. Нові вимірювання, зроблені за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, свідчать про те, що локальний Всесвіт віддаляється від нас зі швидкістю близько 70 кілометрів (близько 43 миль) за секунду на мегапарсек.

Це величезне відкриття, якщо воно правдиве. Це може нарешті вирішити розбіжність між вимірюваннями прискорення розширення Всесвіту, яка не давала спокою вченим протягом більшої частини століття: напруженість Габбла, яку іноді називають найбільшою кризою в космології.

Нам знадобиться ще багато роботи, перш ніж ми зможемо оголосити цю проблему остаточно вирішеною, але нові вимірювання, зроблені з використанням трьох різних типів зірок, можуть стати значним кроком вперед. Результати дослідження були опубліковані в The Astrophysical Journal і доступні на arXiv.

«Ґрунтуючись на нових даних JWST і використовуючи три незалежні методи, ми не знаходимо переконливих доказів існування габблівського розтягування, — каже астроном Венді Фрідман з Чиказького університету. «Навпаки, схоже, що наша стандартна космологічна модель для пояснення еволюції Всесвіту залишається в силі».

Справа ось у чому. Всесвіт розширюється з прискоренням, відомим як постійна Хаббла. Щоб обчислити цю константу, ми можемо використовувати різні види спостережень, які дають свої власні виміри.

Спостережувані дані з раннього Всесвіту включають космічний мікрохвильовий фон — це залишки мікрохвильового випромінювання від першого світла, яке пронизувало Всесвіт — і баріонні акустичні коливання, які є закономірностями поширення далеких галактик, що узгоджуються з хвилями, які колись пульсували у ранньому Всесвіті.

Ці два сигнали відомі як стандартні лінійки, тому що ми знаємо, наскільки вони великі. Вони дозволяють нам безпосередньо отримувати точні вимірювання відстаней і припускають, що Всесвіт розширюється зі швидкістю близько 67,4 кілометра на секунду на мегапарсек.

Сигнали з сусіднього Всесвіту відомі як стандартні свічки. Це об’єкти з відомою власною яскравістю, такі як змінні зорі Цефеїди та наднові типу Ia. Оскільки ми знаємо, наскільки вони яскраві, ми можемо точно розрахувати їхню відстань. І вони припускають, що постійна Габбла становить близько 74 кілометрів на секунду на мегапарсек.

Обидва типи вимірювань мають похибки, які накладаються одна на одну, тому ця розбіжність не є кінцем космології, якою ми її знаємо. Але було б дуже добре впевнено приземлитися на більш точну цифру для однієї швидкості розширення. Або, якщо існує кілька швидкостей розширення, пояснити, чому різні частини Всесвіту розширюються по-різному.

Фрідман вже кілька років працює над вимірюванням постійної Габбла, використовуючи різні методи, відмінні від більш традиційних стандартних свічок. Зокрема, вона зосередилася на зорях на кінчику гілки червоного гіганта, або зорях TRGB.

Ці зірки досягають однорідного розміру і яскравості, що робить їх точним інструментом для вимірювання відстані до сусідніх галактик. Використовуючи спостереження різних інструментів, таких як «Габбл» і «Гайя», Фрідман та її колеги зробили кілька вимірювань TRGB, які дали значення постійної Габбла близько 69-70 кілометрів на секунду на мегапарсек.

Увійдіть до космічного телескопа Джеймса Вебба, який є найпотужнішим космічним телескопом з коли-небудь розгорнутих. Фрідман та її команда використали його для вимірювання зірок TRGB, а також змінних зірок Цефеїд і типу багатих на вуглець гігантських зірок, які, за їхніми словами, є новим типом стандартних свічок, заснованих на їхній стабільній яскравості.

Вимірявши відстані до всіх трьох зірок незалежно, дослідники отримали безліч даних, які вони могли використати для перехресної перевірки на наявність систематичних помилок, щоб отримати незалежне вимірювання постійної Габбла.

Для зірок TRGB дослідники отримали значення 69,85 кілометра на секунду на мегапарсек. Для вуглецевих зірок — 67,96. Змінні для цефеїд дещо відрізняються — 72,05, але діапазони похибок для всіх трьох перекриваються.

«Отримання хорошого узгодження від трьох абсолютно різних типів зірок для нас є сильним показником того, що ми на правильному шляху, — каже Фрідман.

Ми ще не вийшли з лісу. Хоча вимірювання потрапляє в межі похибки як стандартних лінійок, так і стандартних свічок, ми отримували різні значення занадто довго, щоб питання вирішилося так різко. Насправді лише на початку цього року вимірювання JWST змінних зір Цефеїд і наднових типу Ia було використано для підтвердження виміру Хаббла у 73 кілометри на секунду на мегапарсек.

Отже, нам знадобиться ще багато вимірювань, повторних вимірювань і ще раз вимірювань. Щоб бути впевненими. Проте нові цифри свідчать про те, що змінні між різними спостережуваними параметрами все ще можуть пояснити розбіжність, не потребуючи запровадження жодних нових теорій. Втім, хто знає? Можливо, ми навіть натрапимо на якусь нову фізику в пошуках відповіді. Дослідження було опубліковане в журналі The Astrophysical Journal і доступне на arXiv.