Это одна из величайших загадок космологии, и она становится всё больше. С тех пор как американский астроном Эдвин Хаббл опубликовал в 1929 году результаты наблюдений за далёкими галактиками, учёные знают, что Вселенная расширяется. Уже почти 30 лет они знают, что расширение ускоряется (это открытие, сделанное в 1998 году, было отмечено Нобелевской премией в 2011 году). Однако они не могут прийти к единому мнению о том, насколько быстро она расширяется в настоящее время.
Фотография: НАСА, ЕКА, CSA и Дж. Ли (Noirlab), А. Паган (STScI).
Эта современная скорость расширения известна как постоянная Хаббла. Если измерять её одним способом, то получится около 73 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк; мегапарсек — это расстояние, которое свет проходит примерно за 3,3 млн лет, а значение 73 означает, что объекты, находящиеся на расстоянии 1 Мпк, удаляются от наблюдателя со скоростью 73 километра в секунду). Но если измерять её другим способом, то получится ближе к 67 км/с/Мпк.
То, что космологи не могут прийти к единому мнению по поводу одного из самых элементарных фактов о Вселенной, само по себе поразительно. Но эта неопределённость порождает и другие проблемы: например, из-за неё невозможно вычислить точный возраст Вселенной или определить её точный размер. И это несоответствие никуда не исчезает, сколько бы раз астрономы ни перепроверяли свои измерения, ни модернизировали инструменты, ни придумывали новые способы решения проблемы.
Противоречие Хаббла, как называют несоответствие между двумя наборами измерений, «с каждым годом за последнее десятилетие становилось всё сильнее», — говорит Дэн Сколник, астроном из Университета Дьюка в Северной Каролине. Некоторые астрономы считают, что один из наборов измерений окажется неверным. Другие полагают, что это противоречие указывает на более глубокие проблемы в научном описании Вселенной, известном как стандартная модель космологии.
В целом существует два способа вычисления постоянной Хаббла. Один из них заключается в непосредственном измерении современной Вселенной, определении расстояния до далёких галактик и скорости их удаления. Именно этот метод даёт более высокое значение — 73. Второй метод заключается в изучении космического микроволнового фонового излучения (КМФИ) — последствий Большого взрыва. КМФИ отражает крупномасштабную структуру ранней Вселенной. Зная эти начальные условия, астрономы могут использовать свои космологические модели, чтобы предсказать, с какой скоростью Вселенная должна расширяться сегодня. Именно из-за такой работы и появилась цифра 67.
Так что же верно? Возможно, астрономы из первого лагеря ошибаются в своих измерениях современной Вселенной. Скорость, с которой удаляются друг от друга далёкие галактики, измерить относительно просто. Точно так же, как меняется тон сирены скорой помощи по мере приближения и удаления машины, свет, излучаемый галактиками, будет иметь более длинные волны — и поэтому казаться более красным — по мере того, как они удаляются. По этой причине измерения расстояний подвергаются самой тщательной проверке.
Измерение расстояний в галактических масштабах — непростая задача. Наиболее распространённый метод — объединение нескольких различных техник в так называемую «лестницу космических расстояний», в которой самый дальний объект, поддающийся измерению с помощью одной техники, используется для калибровки следующей. Нижние ступени — это близлежащие звёзды, расстояние до которых можно измерить с помощью тригонометрии. Более высокие ступени занимают так называемые «стандартные свечи» — например, звёзды, известные как переменные цефеиды, или некоторые сверхновые, абсолютная яркость которых известна и расстояние до которых можно определить по тому, насколько тусклыми или яркими они кажутся с Земли.
По словам Венди Фридман, астронома из Чикагского университета, которая специализируется на измерении постоянной Хаббла, существует множество нюансов, которые могут исказить такие измерения. Межзвёздная пыль поглощает свет на одних длинах волн сильнее, чем на других, и это необходимо учитывать. «Металличность» отдельных цефеид — так астрономы называют степень содержания в них элементов, отличных от водорода и гелия, — может влиять на их яркость. Сверхновые, необходимые для измерения расстояний, встречаются относительно редко, поэтому выборка, используемая для измерения расстояний, довольно мала. По словам доктора Фридман, экстраординарные утверждения — например, идея о том, что два набора пуленепробиваемых измерений противоречат друг другу, — требуют экстраординарных доказательств. Но пока что доказательства не настолько экстраординарны.
Другие придерживаются противоположной точки зрения. «Я думаю, что идея о том, что эти измерения неверны, была более жизнеспособной несколько лет назад», — говорит Адам Рисс, астроном из Научного института космического телескопа в Балтиморе (и один из лауреатов Нобелевской премии 2011 года). По мере того как всё больше астрономов проявляли интерес к парадоксу Хаббла, они проводили перекрёстные проверки измерений «лестницы расстояний» другими способами. По словам доктора Рисса, каждая ступенька была дважды проверена с помощью различных стандартных свечей, но парадокс сохраняется.
Статья, опубликованная в июне, ещё больше усложнила ситуацию. В ней не использовалась «лестница расстояний». Вместо этого рассматривались лучи света от ярких астрономических объектов, называемых квазарами. Если между источником этого света и Землёй находится массивный объект, то из-за его гравитационного воздействия разным лучам света потребуется разное время, чтобы добраться до Земли. Изучая эти различия, астрономы могут определить, какое расстояние преодолели лучи. Этот метод позволил получить значение постоянной Хаббла, очень близкое к результатам исследований, основанных на старомодной «лестнице расстояний». Это означает, говорит доктор Рисс, что если какой-то неизвестный фактор искажает результаты измерений расстояний, то он должен искажать сразу несколько принципиально разных видов измерений.
Поэтому некоторые астрономы считают, что проблема в методе изучения ранней Вселенной. Беспокойство здесь вызвано не столько ошибочными показаниями — с 1990-х годов реликтовое излучение измерялось и переизмерялось с возрастающей точностью с помощью ряда спутников, а также наземных телескопов в Чили и на Южном полюсе, и все они дают одинаковые результаты. Скорее, есть подозрение, что с космологической теорией, в которую вводятся эти измерения, что-то не так.
Эта теория, получившая название «Лямбда-CDM» (LCDM), утверждает, что видимая часть Вселенной — галактики, планеты, звёздный свет и всё остальное — составляет всего 5 % от общего объёма. Остальная часть предположительно делится между «тёмной энергией» — силой, которая противодействует гравитации на больших расстояниях и вызывает расширение Вселенной («лямбда» в LCDM), и «тёмной материей», которую нельзя увидеть, но о присутствии которой можно судить по её гравитационному воздействию на галактики (CDM означает «холодная тёмная материя»).
LCDM может показаться нелогичной. Но она очень успешно предсказывает всё, начиная с распространённости простых химических элементов и заканчивая распределением галактик и закономерностями в реликтовом излучении, причём с высокой точностью. Заменить её чем-то столь же хорошим, но способным предсказывать постоянную Хаббла в соответствии с современными измерениями, — непростая математическая задача.
Тем не менее недостатка в кандидатах нет. Некоторые предполагают, что сила тёмной энергии может меняться со временем. Это означало бы, что попытки смоделировать современную Вселенную на основе реликтового излучения, предполагающие, что природа тёмной энергии не изменилась со времён Большого взрыва, были ошибочными. В докладе, представленном на заседании Королевского астрономического общества в прошлом месяце, высказывалось предположение, что Млечный Путь может находиться в гигантской, сравнительно пустой области космоса, из-за чего постоянная Хаббла кажется больше, чем она есть на самом деле.
На данный момент ни одна из этих теорий не опровергла стандартную модель. Таким образом, астрономия зашла в тупик. Вполне возможно, что завтра какой-нибудь вдохновлённый теоретик предложит идею, которая поможет решить проблему. В противном случае астрономам придётся надеяться, что новые данные дадут какую-то важную подсказку. Ряд новых телескопов, таких как обсерватория Веры Рубин в Чили или космический телескоп «Нэнси Грейс Роман», который должен быть запущен не позднее мая 2027 года, могут дать важную информацию. Но если судить по событиям последних десятилетий, то они с такой же вероятностью могут просто подтвердить парадокс Хаббла, как и разрешить его.
По материалам The Economist
