Уточнення швидкості розширення Всесвіту може призвести до нової фізики

Це було на початку 1990-х років. Обсерваторія Карнегі в Пасадені, штат Каліфорнія, спорожніла на різдвяні канікули. Венді Фрідман, одна в бібліотеці, працювала над величезною і тернистою проблемою: швидкість розширення Всесвіту. Карнегі була благодатним ґрунтом для такого роду робіт. Саме тут, у 1929 році, Едвін Хаббл вперше побачив далекі галактики, відлітають геть від Чумацького Шляху, підстрибуючи у зовнішньому потоці розширюється простору. Швидкість цього потоку стала називатися постійної Хаббла.

Тиха робота Фрідман незабаром була перервана, коли в бібліотеку увірвався колега-астроном Аллан Сендідж, науковий спадкоємець Хаббла, який десятиліттями правил і уточнював постійну Хаббла, послідовно захищаючи повільні темпи розширення. Фрідман однією з останніх захищала більш високі темпи, і Сендідж бачив її єретичне дослідження.

«Він був так зол», згадує Фрідман, тепер працює в Чиказькому університеті в штаті Іллінойс, «що в той момент я усвідомила, що ми залишилися удвох в цілому будинку. Я зробила крок назад і подумала, що ми працюємо не в самій дружній з областей науки».

Це протистояння стихло, але не зовсім. Сендідж помер в 2010 році, і до того часу більшість астрономів зійшлися на постійної Хаббла у вузькому діапазоні. Проте новітні дані, які напевно сподобалися б самому Сэндиджу, говорять на користь того, що постійна Хаббла на 8% нижче, ніж провідне число. Майже сто років астрономи обчислили її, ретельно вимірюючи відстані в найближчій до нас частині всесвіту і просуваючись все далі і далі. Але нещодавно астрофізики виміряли постійну зовні, грунтуючись на картах космічного мікрохвильового фону (CMB), плямистого післясвічення Великого Вибуху, яке стало тлом для видимої частини Всесвіту. Роблячи припущення про те, як тягни-толкайка енергії і матерії у Всесвіті змінювала темп космічного розширення з тих пір, як сформувався космічний мікрохвильовий фон, астрофізики можуть брати свої карти і підлаштовувати постійну Хаббла до сучасної локальної Всесвіту. Цифри повинні збігатися. Але вони не збігаються.

Можливо, в одному з підходів є щось неправильне. Обидві сторони шукають недоліки в методах своїх та інших, і старші фігури, такі як Фрідман, поспішають представити власні пропозиції. «Ми не знаємо, в який бік все це призведе», говорить Фрідман.

Але якщо згоди не буде досягнуто, це стане тріщиною на небозводі сучасної космології. Це може означати, що в існуючих теоріях відсутній якийсь інгредієнт, який втручався між справжнім і давнім минулим, вплітаючись в ланцюжок взаємодій CMB з цієї постійної Хаббла. Якщо це так, то історія повторюватиметься. У 1990-х роках Адам Рісс, в даний час астрофізик з Університету Джона Хопкінса в Балтіморі, штат Меріленд, очолив одну з груп, які відкрили темну енергію, відразливу силу, яка прискорює розширення Всесвіту. Це один з факторів, які розрахунки CMB повинні брати до уваги.

Тепер команда Рісса веде пошуки постійної Хаббла в прилеглому просторі та за його межами. Його мета не тільки в тому, щоб уточнити кількість, але і вловити, чи змінюється воно з часом таким чином, що навіть темна енергія не може це пояснити. Поки що він погано розуміє, яким може бути відсутній фактор. І йому дуже цікаво, що ж відбувається.

У 1927 році Хаббл вийшов за межі Чумацького Шляху, озброївшись найбільшим на той момент телескопом у світі, 2,5-метровим телескопом Гукера, який стояв на горі Вілсон над Пасаденой. Він сфотографував слабкі спіральні плями, які тепер відомі нам галактики, і зміряв їх почервоніння світла по мірі їх доплерівського зсуву до довгим хвилям світла. Порівнюючи червоне зміщення галактик з їх яскравістю, Хаббл дійшов цікавих висновків: чим тьмяніше і, ймовірно, далі була галактика, тим швидше вона віддалялася. Отже, Всесвіт розширюється. Отже, у Всесвіті є кінцевий вік, відлік якої розпочався з Великого Вибуху.

Космічне протиріччя

Диспут на тему постійної Хаббла і темпу розширення Всесвіту заграв з новою силою. Астрономи приходили до певного числа, використовуючи класичну методику «сходи дистанцій», або астрономічні спостереження локальної всесвіту. Але ці значення конфліктують з космологічними оцінками, зробленими на основі карт ранньої всесвіту і підв'язаними до сьогоднішнього дня. З цього спору випливає, що зростання всесвіту може підживлювати відсутній інгредієнт.

Щоб визначити швидкість розширення — і відповідну постійну — Хабблу потрібні були реальні відстані до галактик, а не лише відносні, засновані на їх видимої яскравості. Тому він почав трудомісткий процес побудови дистанційної сходи — від Чумацького Шляху до сусідніх галактик і далі, до самих кордонів розширюється простору. Кожна сходинка сходів має бути відкалібрована «стандартними свічками»: об'єктами, які зміщуються, пульсують, спалахують або обертаються таким чином, щоб можна було точно встановити, як далеко вони знаходяться.

Перша щабель здавалася досить надійної: змінні зірки, звані цефеидами, які нарощують і знижують яскравість по закінченні декількох днів або тижнів. Довжина цього циклу вказує на внутрішню яскравість зірки. Порівнюючи спостережувану яскравість цефєїди з яскравістю, виходить із її коливань, Хаббл міг розрахувати відстань до неї. Телескоп Маунт-Вілсонзміг розгледіти кілька цефеїд в найближчих галактиках. Для далеких галактик він припускав, що яскраві зірки в них будуть мати таку ж внутрішню яскравість. Навіть у самих далеких галактиках, припускав Хаббл, будуть стандартні свічки з однорідною светимостью.

Очевидно, ці припущення були не найкращими. Перша опублікована Хабблом постійна становила 500 кілометрів в секунду на мегапарсек — тобто на кожні 3,25 мільйона світлових років, на які він заглядав у космос, Всесвіт розширюється расталкивала галактики на 500 кілометрів на секунду швидше. Це число було невірним і передбачало, що Всесвіту всього 2 мільярди років, тобто майже в сім разів менше, ніж вважається сьогодні. Але це був тільки початок.

У 1949 році завершилося будівництво 5,1-метрового телескопа в Паломаре в південній Каліфорнії — як раз до того часу, коли Хаббла наздогнав серцевий напад. Він передав мантію Сэндиджу, козирному спостерігачеві, який провів наступні десятиліття, проявляючи фотографічні пластинки під час нічних сесій, працюючи з гігантським апаратом телескопа, тремтячи від холоду і потребуючи перервах.

З більш високою роздільною здатністю Паломара і високою светособирательной силою, Сендідж зміг виманити цефєїди з більш віддалених галактик. Він також зрозумів, що яскраві зірки Хаббла були, у сутності, цілими зоряними скупченнями. Вони були яскравіше за своєю природою і, отже, набагато далі, ніж думав Хаббл, що, крім інших поправок, передбачала набагато більш низьку постійну Хаббла. В 1980-м рокам Сендідж зупинився на значенні в 50, яке люто відстоював. Один з його найвідоміших супротивників, французький астроном Жерар де Вокулер, пропонував значення в 50. Один з найважливіших параметрів в космології розбігався буквально в два рази.

В кінці 1990-х років Фрідман, переживши словесна образа Сэндиджа, поставила перед собою завдання вирішити цю головоломку за допомогою нового інструменту, немов навмисно створеного для її роботи: космічного телескопа Хаббла. Його чіткий погляд поверх атмосфери дозволив команді Фрідман виявити окремі цефєїди в 10 разів далі, ніж Сэндиджу вдалося з Паломаром. Іноді в цих галактиках були як цефєїди, так і більш яскраві маяки — наднові типу Ia. Ці вибухають білі карликові зірки видно через космос і спалахують з постійною і максимальною яскравістю. Відкалібровані по цефеїдам, наднові можуть бути використані самі по собі для зондування найдальших меж космосу. У 2001 році команда Фрідмана звузила постійну Хаббла до 72 плюс-мінус 8, що поклало кінець розбраті Сэндиджа і де Вокулера. «Я була виснажена», говорить вона. «Я думала, що ніколи не повернуся до роботи над постійної Хаббла».

Едвін Хаббл

Але потім з'явився фізик, який знайшов незалежний спосіб розрахунку постійної Хаббла за допомогою самого далекого і зміщеного в червону частину спектру — мікрохвильового фону. У 2003 році зонд WMAP опублікував свою першу карту, на якій показав спектри коливань температури в CMB. Ця карта не надала стандартну свічку, а стандартний критерій: картину гарячих і холодних плям у первісному супі, створювану звуковими хвилями, які брижами прокочувалися по всій новонародженої Всесвіту.

Зробивши кілька припущень про інгредієнти в цьому бульйоні — у вигляді знайомих частинок, атомів і фотонів, деякі додаткових невидимих речовин начебто темної матерії і темної енергії — команда WMAP змогла обчислити фізичний розмір цих первинних звукових хвиль. Його можна порівняти з удаваним розміром звукових хвиль, записаних в плямах CMB. Це порівняння дало відстань до мікрохвильового фону і значення швидкості розширення Всесвіту в той початковий момент. Зробивши припущення про те, як звичайні частинки, темна енергія і темна матерія з тих пір змінили розширення, команда WMAP змогла привести постійну величину у відповідність з її поточною швидкістю наростання. Спочатку вони вивели значення в 72, у відповідності з тим, що знайшла Фрідман.

Але з тих пір астрономічні вимірювання постійної Хаббла показували більш високі значення, хоча похибка знижувалася. В останніх публікаціях Рісс вийшов вперед, використовуючи інфрачервону камеру, встановлену в 2009 році на телескоп Хаббла, яка може як визначити відстані до цефеїд Чумацького Шляху і виділити їх самих далеких, більше червоних родичів серед синіх зірок, які оточують звичайні цефєїди. Останній результат, який видала команда Рісса — 73,24.

Між тим, місія Планка (ЕКА), яка показала CMB у високому дозволі і з підвищеної температурної точністю, зупинилася на значення 67,8. За законами статистики, ці дві величини розділені пробілом в 3,4 сигма — не в 5 сигма, які у фізиці частинок говорять про значне результаті, але вже майже. «Це складно пояснити статистичної помилкою», - говорить Чак Беннет, астрофізик з університету Джона Хопкінса, який керував командою WMAP.

Кожна сторона тицяє пальцем в іншу. Георг Эфстатиус, провідний космолог в команді Планка з Кембриджського університету, говорить, що дані Планка «абсолютно непорушні». Свіжий аналіз результатів Планка в 2013 році змусив його замислитися. Він завантажив дані Рісса і опублікував власний аналіз з більш низькою і менш точної постійної Хаббла. Він вважає, що астрономи знайшли «брудну» сходи.

У відповідь астрономи стверджують, що виробляють фактичне вимір сучасної Всесвіту, оскільки метод вимірювання CMB покладається на безліч космологічних припущень.Якщо вони не погоджуються, кажуть вони, чому б тоді не змінити космологію? Замість цього «Георг Эфстатиус виходить і каже, мовляв, я збираюся переосмислити всі ваші дані», говорить Баррі Мадор з Чиказького університету, чоловік та колега Фрідман з 1980-х років. Що робити? Потрібно розрубати гордіїв вузол.

Венді Фрідман вважала, що її дослідження від 2001 року виявило постійну Хаббла, але суперечки розгорілися з новою силою.

На стороні астрономів є метод так званого гравітаційного лінзування. Навколо масивної галактики сама гравітація спотворює простір, утворюючи величезну лінзу, яка може спотворювати світло, що йде від далекого джерела світла, наприклад, квазара. Якщо вирівнювання лінзи і квазара буде певним, світло по декількох доріжках прямуватиме до Землі і створить безліч зображень линзирующей галактики. Якщо пощастить, квазар буде змінюватися в яскравості, тобто мерехтіти. Кожне клоноване зображення теж буде мерехтіти, але не одночасно, тому що промені світла від кожного зображення обирають різні шляхи через викривлене простір. Затримка між мерцаниями вказує на різницю в довжинах шляхів; поєднавши їх з розміром галактики, астрономи можуть використовувати тригонометрію, щоб розрахувати абсолютну дистанцію до линзирующей галактики. Тільки три галактики були ретельно виміряні таким чином і ще шість вивчаються в даний момент. В кінці січня астрофізик Шеррі Суну з Інституту астрофізики Макса Планка в Німеччині і її колеги опублікували свої кращі розрахунки постійної Хаббла. «Наш вимір відповідає підходу сходи дистанцій», говорить Суну.

Між тим космологи теж мають козирі в рукаві: баріонів акустичні коливання (БАО). По мірі того, як Всесвіт дорослішає, ті ж звукові хвилі, що були віддруковані на CMB, залишили згустки матерії, які виросли в галактичні скупчення. Розташування галактик на небі повинні зберегти початкові співвідношення звукових хвиль, і, як і раніше, порівняння очевидною картини з її розрахунковим фактичним розміром визначає дистанцію. Як і метод CMB, метод БАО дозволяє зробити космологічне припущення. Але останні кілька років він підтримує значення постійної Хаббла на рівні з Планком. Четверта ітерація Sloan Digital Sky Survey, глобального обстеження неба, що становить галактичну карту, допоможе уточнити ці вимірювання.

Це не означає, що команди, які ведуть боротьбу за драбину дистанцій і CMB, просто чекають інших способів вирішення спору. Щоб зміцнити фундамент дистанційної сходи, відстаней до цефеїд в Чумацькому Шляху, місія Gaia Європейського космічного агентства намагається визначити точні відстані до мільярда різних прилеглих зірок, включаючи цефєїди. Gaia, яка знаходиться на орбіті біля Сонце за межами Землі, використовує самі надійні заходи: паралакс, або гадане зміщення зірок щодо небесного фону, коли космічний апарат досягає протилежних точок своєї орбіти. Коли у 2022 році буде випущений повний набір даних Gaia, він надасть додаткові підстави для впевненості астрономів. Рісс вже виявив натяки на користь своєї більш високої постійної Хаббла, коли використав попередні результати Gaia.

Космологи теж сподіваються закріпити свої вимірювання за допомогою космологічного телескопа в Атакамі в Чилі і телескопа Південного полюса, який може перевірити високоточні результати Планка. І якщо результати відмовляться сходитися, тоді закрити прогалину спробують теоретики. «Добре, коли модель розбивається. Підтвердження моделі — це нецікаво».

Наприклад, можна було б додати додаткову частку у Стандартну модель Всесвіту. CMB пропонує оцінку загального енергетичного бюджету незабаром після Великого Вибуху, коли він був розділений на матерію і високоенергетичне випромінювання. Як випливає зі знаменитої формули еквівалентності Ейнштейна E = mc², енергія діяла як матерія, сповільнюючи розширення простору своєю гравітацією. Але матерія — більш ефективний гальма. З часом випромінювання — фотони світла і інші легкі частинки начебто нейтрино — холоднішими і втрачали енергію, гравітаційний вплив слабшав.

В даний час відомо три типи нейтрино. Якщо існував четвертий, як припускали деякі теоретики, на стороні випромінювання в первинному енергетичному бюджеті всесвіту було трохи більше, і розвіювався б ця частина швидше. Це, в свою чергу, означало б, що рання всесвіт розширювалася швидше, ніж пророкує список інгредієнтів сучасної космології. Надалі це додаток могло б помирити два різних результату. Але детектори нейтрино поки не виявили жодних натяків на нейтрино четвертого типу, а інші вимірювання Планка обмежили загальний обсяг надлишкового випромінювання.

Інший варіант — так звана фантомна темна енергія. Справжні космологічні моделі мають на увазі під темною енергією постійну силу. Якщо ж темна енергія стає сильнішою з плином часу, вона пояснила, чому космос сьогодні розширюється швидше, ніж можна було б подумати, дивлячись на ранню Всесвіт. Однак варіативна темна енергія здається абсолютно зайвою. Космологи і астрофізики схиляються до того, що проблеми скоріше в існуючих методах, а не в новій фізиці.

Фрідман вважає, що єдине рішення — боротися з вогнем вогнем — лежить в нових спостереженнях Всесвіту. Разом з Мадором вони готуються провести окремий вимір, откалиброванное не тільки по цефеїдам, але і по іншимтипами змінних зірок і яскравим червоним гігантам. Найближчі приклади можна буде вивчити за допомогою автоматичного телескопа шириною в 30 сантиметрів, а далекі допоможуть досліджувати космічні телескопи Хаббл і Спітцер. Раз вже вона змогла впоратися з темним і буйствующим Сэндиджем, вона готова відповісти на зухвалий виклик команди Планка і Рісса.

«Вони сказали, що ми не праві. Що ж, подивимося», — жартує вона.