Одна из величайших загадок расширения Вселенной могла возникнуть из-за ошибки измерений

В течение многих лет астрономы обсуждали расхождение между скоростью расширения, измеренной по галактикам в ближней Вселенной, и расчетами, основанными на изучении реликтового излучения. То есть получается, что Вселенная расширяется с разной скоростью на разном расстоянии от нас? Это расхождение было настолько значительным и устойчивым, что некоторые астрономы предполагали необходимость корректировки стандартной теории Вселенной. Однако результаты, полученные за последнюю неделю с помощью орбитального телескопа им. Джеймса Уэбба, указывают на более простую причину: возможную систематическую ошибку в методах измерения расстояний до ближайших галактик.

«Данные не показывают необходимости в дополнительных физических теориях», — утверждает Венди Фридман из Чикагского университета. 

Она возглавляла команду, рассчитавшую скорость расширения Вселенной, исходя из данных «Уэбба» с использованием трех различных измерений галактических расстояний. Два результата оказались близки к прогнозам на основе реликтового излучения. Статья опубликована на сервере препринтов arXiv (еще не прошла рецензирование).

Постоянная Хаббла является одним из ключевых параметров, определяющих размеры и возраст Вселенной. Спор между теоретическими прогнозами и наблюдаемыми значениями настолько укоренился, что получил название «напряжение Хаббла». Новые данные пока не решают этого спора, но побуждают астрономов сосредоточиться на уточнении измерений в ближней Вселенной. 

«Напряжение Хаббла» возникло более десяти лет назад, когда космические телескопы начали точно картировать мельчайшие колебания температуры реликтового излучения. Космологи смогли оценить начальную скорость расширения Вселенной и экстраполировать ее до наших дней, учитывая два космических фактора, влияющих на расширение: гравитационное притяжение темной материи и отталкивающее действие темной энергии.

Расчет постоянной Хаббла, основанный на ранней Вселенной, дал значение около 67 километров в секунду на мегапарсек (км/с на Мпк) — это означает, что на каждые 3,25 миллиона световых лет галактики удаляются на 67 км/с. Но когда астрономы измерили наблюдаемую постоянную Хаббла, то получили другое значение —  на 5 км/с на Мпк больше. Это и есть «напряжение Хаббла».

Однако измерение постоянной Хаббла в ближней Вселенной — нелегкая задача. Астрономы могут оценить скорость удаления галактики, измеряя, насколько ее свет смещается к более длинным волнам из-за ее движения. Определение расстояния до галактики намного сложнее и требует использования метода лестницы расстояний. Сначала астрономы определяют звезды с предсказуемой яркостью (стандартную свечу), которые достаточно близки, чтобы напрямую измерить расстояние. Долгое время астрономы использовали переменные звезды типа Цефеид, у которых период пульсации указывает на их истинную яркость. Потом Цефеиды можно искать в ближайших галактиках. 

Для более дальних объектов астрономы нуждаются в более яркой стандартной свече. Для этого они обратились к взрывающимся звездам, сверхновым типа Ia — у них тоже предсказуемая максимальная яркость. Найдя такие сверхновые в галактиках на известном расстоянии, рассчитанном с помощью Цефеид, они могут добавить еще одну ступень к лестнице расстояний, а затем искать аналогичные сверхновые в более дальних галактиках. Сейчас ученые измеряют сотни Цефеид в 37 ближайших галактиках, которые содержат 42 сверхновые типа Ia, а затем расширяя измерения до 277 более дальних сверхновых. В 2022 году, используя телескоп «Хаббл», Адам Рисс из Университета Джонса Хопкинса и его коллеги определили постоянную Хаббла в 73 км/с на Мпк.

В 2019 году программа, возглавляемая Фридман, предложила другую стандартную свечу: красные гиганты, которые достигают предсказуемой максимальной яркости на исходе процесса сжигания водорода. Используя самые яркие красные гиганты в галактиках для оценки расстояний, команда получила значение постоянной Хаббла около 70 км/с на Мпк. Для авторов это расхождение стало намеком на наличие какой-то систематической ошибки в измерениях.

Теперь расхождение углубилось. Команда обратилась к данным «Уэбба» для измерения расстояния до тех же 10 ближайших галактик, с помощью трех стандартных свечей одновременно: Цефеиды, самые яркие красные гиганты и новый тип — углеродные звезды. Это красные гиганты с большим количеством углерода в атмосфере, что дает им характерный спектр и яркость.

Авторы препринта обнаружили, что расстояния до 10 галактик, измеренные по красным гигантам и углеродным звездам, совпадают с точностью до 1%. А вот от расстояния, указанного Цефеидами отличаются на 2,5-4%. Суммируя все три метода, команда получила значение постоянной Хаббла чуть меньше 70 км/с на Мпк, ближе к космологическому значению.

Споры о постоянной Хаббла на этом не закончатся. Рисс в интервью Science указывает, что другие научные коллективы также использовали данные «Уэбба» для измерения расстояний всеми тремя методами по отдельности и получили значения, ближе к исходному результату в 73 км/с на Мпк. Он также ставит под сомнение, почему в новом исследовании исключили данные, полученные с других телескопов.