Наскільки швидко Всесвіт розширюється? Галактики пропонують відповідь

Опубліковано: 00:38 середа, 10 березня 2021 р.  
Наскільки швидко Всесвіт розширюється? Галактики пропонують відповідь - фото
NGC 1453, гігантська еліптична галактика, розташована в сузір′ї Ерідана, була однією з 63 галактик, що використовувалися для розрахунку швидкості розширення локального Всесвіту. У минулому році група MASSIVE визначила, що галактика розташована на відстані 166 мільйонів світлових років від Землі, і в центрі має чорну діру, маса якої майже в 3 мільярди разів перевищує сонячну. Фото: Carnegie-Irvine Galaxy Survey.

Визначення того, наскільки швидко Всесвіт розширюється, є ключовим для розуміння нашої космічної долі, але з більш точними даними виникла загадка: оцінки, засновані на вимірах у нашому локальному Всесвіті, не узгоджуються з екстраполяціями з епохи незабаром після Великого Вибуху 13,8 мільярдів років тому.

Нова оцінка швидкості локального розширення -- константа Хаббла, або H0 -- підсилює цю невідповідність, розповідають в Каліфорнійському університеті в Берклі.

Використовуючи відносно нову і потенційно більш точну техніку вимірювання космічних відстаней, яка опрацьовує середнью зоряну яскравість у гігантських еліптичних галактиках у якості щаблини на шкалі відстаней, астрономи обчислюють швидкість -- 73,3 кілометра на секунду на мегапарсек, плюс-мінус 2,5 км/сек/Mпк -- яка знаходиться посередині трьох інших доброякісних оцінок, включаючи оцінку-золотий стандарт від наднових типів Ia. Це означає, що на кожен мегапарсек -- 3,3 мільйона світлових років, або 3 мільярди трильйонів кілометрів -- від Землі Всесвіт розширюється на додаткові 73,3 ± 2,5 кілометра на секунду. Середнє значення для трьох інших методів становить 73,5 ± 1,4 км/сек/Мпк.

Викликає подив, що оцінки швидкості локального розширення на основі вимірювання флуктуацій космічного мікрохвильового фону та, незалежно, флуктуацій щільності нормальної матерії в ранньому Всесвіті (баріонні акустичні осциляції) дають зовсім іншу відповідь: 67,4 ± 0,5 км/сек/Мпк.

Зрозуміло, астрономи стурбовані цією невідповідністю, оскільки швидкість розширення є критичним параметром для розуміння фізики та еволюції Всесвіту і є ключовою для розуміння темної енергії -- яка прискорює швидкість розширення Всесвіту і, таким чином, призводить до зміни константи Хаббла швидше, ніж очікувалося, із збільшенням відстані від Землі. Темна енергія становить близько двох третин маси та енергії у Всесвіті, але все ще залишається загадкою.

Для нової оцінки астрономи вимірювали флуктуації поверхневої яскравості 63 гігантських еліптичних галактик для визначення відстані і нанесли на графік відстань-швидкість кожної, щоб отримати H0. Метод флуктуацій поверхневої яскравості (SBF) не залежить від інших методів і може дати точніші оцінки відстані, ніж інші методи в межах приблизно 100 Мпк від Землі, або 330 мільйонів світлових років. 63 галактики у вибірці знаходяться на відстанях від 15 до 99 Мпк, озираючись назад у часі лише на невелику частку віку Всесвіту.

"Для вимірювання відстаней до галактик до 100 мегапарсеків цей метод фантастичний", - сказала космолог Чунг-Пей Ма -- професор фізичних наук Джуді Чандлер Вебб у Каліфорнійському університеті в Берклі та професор астрономії та фізики. "Це перша робота, яка збирає великий, однорідний набір даних із 63 галактик з метою вивчення Н0 методом SBF".

Ма керує опитуванням локальних галактик MASSIVE, яке надало дані із 43 галактик -- дві третини з тих, що опрацьовувалися у новому аналізі.

Дані про ці 63 галактики зібрав і проаналізував Джон Блейкслі, астроном з NOIRLab Національного наукового фонду (NSF). Він є першим автором статті, яку прийнято на публікацію в The Astrophysical Journal, написану ним у співавторстві з колегою Джозефом Дженсеном з Університету Юта-Веллі в Оремі. Блекслі, який очолює науковий персонал, що підтримує оптичні та інфрачервоні обсерваторії NSF, є піонером у використанні методу SBF для вимірювання відстаней до галактик, а Дженсен був одним із перших, хто застосував метод на інфрачервоних довжинах хвиль. Вони тісно співпрацювали з Ма над аналізом.

"Вся історія астрономії в певному сенсі є спробою зрозуміти абсолютний масштаб Всесвіту, який потім розповідає нам про фізику", - сказав Блекслі, згадуючи подорож Джеймса Кука на Таїті у 1769 році для вимірювання транзиту Венери, щоб вчені могли розрахувати справжній розмір Сонячної системи. "Метод SBF більш широко застосовуваний до загальної популяції галактик, що еволюціонували, у локальному Всесвіті, і, звичайно, якщо ми отримаємо достатньо галактик за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, цей метод може дати найкращий локальний вимір константи Хаббла".

Космічний телескоп Джеймса Вебба, який у 100 разів потужніший за космічний телескоп Хаббла, планується запустити у жовтні.

Гігантські еліптичні галактики

Константа Хаббла була яблуком розбрату протягом десятиліть, з тих пір, як Едвін Хаббл вперше виміряв швидкість локального розширення і запропонував відповідь у сім разів завелику, маючи на увазі, що Всесвіт насправді молодший за свої найдавніші зірки. Проблема, як тоді, так і зараз, полягає у тому, щоб закріпити розташування об’єктів у космосі, що дає мало підказок про те, як далеко вони знаходяться.

розширення Всесвіту 1

Зображення, отримані космічним телескопом "Хаббл", таких гігантських еліптичних галактик, як ця, NGC 1453, використовуються для визначення флуктуацій поверхневої яскравості та оцінки відстані цих галактик від Землі. Фото: Space Telescope Science Institute.

Протягом багатьох років астрономи долали все більші відстані, починаючи з обчислення відстані до об’єктів, розташованих настільки близько, що здається, вони рухаються з-за паралакса, оскільки Земля обертається навколо Сонця. Змінні зірки, що називаються цефеїдами, переносять вас далі, оскільки їх яскравість пов’язана з періодом їх мінливості, а наднові типу Ia -- ще далі, оскільки це надзвичайно потужні вибухи, які на своєму піку сяють так яскраво, як ціла галактика. Як для цефеїд, так і для наднових типу Ia можна визначити абсолютну яскравість за тим, як вони змінюються з часом, а потім можна розрахувати відстань за їх видимою із Землі яскравістю.

Найкраща поточна оцінка H0 походить з відстаней, визначених за вибухами наднових типу Ia у віддалених галактиках, хоча новіші методи -- затримки часу, спричинені гравітаційним лінзуванням далеких квазарів, і яскравість водяних мазерів, що обертаються навколо чорних дір -- дають приблизно те саме число.

Техніка, що використовує флуктуації поверхневої яскравості, є однією з найновіших і спирається на той факт, що гігантські еліптичні галактики старі і мають постійні популяції старих зірок -- переважно зірок-червоних гігантів -- які можна змоделювати, щоб отримати середню інфрачервону яскравість на їхній поверхні. Дослідники отримали інфрачервоні зображення високої роздільної здатності кожної галактики за допомогою "Ширококутної камери 3" на космічному телескопі Хаббла і визначили, наскільки кожен піксель на зображенні відрізняється від "середнього" -- чим плавніші флуктуації на всьому зображенні, тим далі галактика, після внесення поправок на такі плями, як яскраві зореутворюючі регіони, які автори виключають з аналізу.

Ані Блекслі, ані Ма не були здивовані тим, що швидкість розширення виявилася близькою до інших локальних вимірювань. Але їх однаково бентежить кричущий конфлікт з оцінками з раннього Всесвіту -- конфлікт, який, на думку багатьох астрономів, означає, що наші сучасні космологічні теорії помилкові або, принаймні, неповні.

Екстраполяції з раннього Всесвіту базуються на найпростішій космологічній теорії -- так званій лямбда-холодній темній матерії, або CDM -- яка використовує лише кілька параметрів для опису еволюції Всесвіту. Чи забиває нова оцінка кілок у серце CDM?

"Я думаю, що вона (нова оцінка) штовхає цей кілок на трохи більше", - каже Блекслі. "Але вона (CDM) все ще жива. Деякі люди вважають, що щодо всіх цих локальних вимірювань, що спостерігачі помиляються. Але дедалі складніше стає про це стверджувати -- це вимагало б систематичних помилок в одному напрямку для декількох різних методів: наднових, SBF, гравітаційного лінзування, водяних мазерів. Тож, у міру того, як ми отримуємо більше незалежних вимірювань, цей кілок заходить трохи глибше".

Ма задається питанням, чи занадто оптимістичними є невизначеності, які астрономи приписують своїм вимірюванням, які відображають як систематичні, так і статистичні помилки, і що, можливо, ці два діапазони оцінок все ще можна узгодити.

"Присяжні вийшли", - каже вона. "Я думаю, що це дійсно присутнє в смугах помилок. Але якщо припустити, що всі смуги помилок не недооцінюються, то напруга стає некомфортною".

Фактично, один з гігантів цього поля, астроном Венді Фрідман, нещодавно опублікував дослідження, в якому константа Хаббла встановлюється у 69,8 ± 1,9 км/сек/Мпк, ще більше скаламучуючи води. Останній результат від Адама Рісса, астронома, який отримав Нобелівську премію з фізики 2011 року за відкриття темної енергії, складає 73,2 ± 1,3 км/сек/Мпк. Рісс був докторантом Міллера в Каліфорнійському університеті в Берклі, коли виконував це дослідження, і він поділився призом з фізиком цього вишу і Лабораторії Берклі Солом Перлматтером.

МАСИВНІ галактики

Нове значення H0 є побічним продуктом двох інших обстежень близькорозташованих галактик, зокрема, обстеження MASSIVE, проведене Ma, яке використовує космічні та наземні телескопи для вичерпного вивчення 100 наймасивніших галактик у межах приблизно 100 Мпк від Землі. Головна мета -- зважити надмасивні чорні діри в центрах кожної з них.

розширення Всесвіту 2

Ще одне зображення гігантської еліптичної галактики NGC1453, зроблене Pan-STARRS (Телескоп панорамного огляду і система швидкого реагування) в обсерваторії Халеакала на острові Мауї на Гаваях.

Для цього потрібні точні відстані, а метод SBF є найкращим на сьогоднішній день, сказала вона. Команда MASSIVE використовувала цей метод минулого року, щоб визначити відстань до гігантської еліптичної галактики NGC 1453 у сузір’ї Ерідана на південному небі. Поєднуючи цю відстань, 166 мільйонів світлових років, з обширними спектроскопічними даними телескопів Джеміні і Макдональда -- які дозволили аспірантам Ма Крісу Ліпольду та Метью Квенневілу виміряти швидкості зірок поблизу центру галактики -- вони дійшли висновку, що NGC 1453 має центральну чорну діру, маса якої майже в 3 мільярди разів перевищує сонячну.

Щоб визначити H0, Блекслі розрахував відстані SBF до 43 галактик в обстеженні MASSIVE, виходячи з 45-90 хвилин часу спостережень HST для кожної галактики. Інші 20 були отримані в результаті іншого опитування, в якому HST використовувався для отримання зображень великих галактик, зокрема тих, в яких були виявлені наднові типу Ia.

Більшість із 63 галактик мають вік від 8 до 12 мільярдів років, а це означає, що вони містять велику популяцію старих червоних зірок, які є ключовими для методу SBF, а також можуть використовуватися для підвищення точності розрахунків відстаней. У роботі Блейкслі задіював як змінні зірки цефеїди, так і техніку, яка використовує найяскравіші в галактиці зірки-червоні гіганти -- що називається вершиною гілки червоних гігантів, або техніка TRGB -- для сходження до галактик на більших відстанях. Вони дали послідовні результати. Техніка TRGB враховує той факт, що найяскравіші червоні гіганти в галактиках мають приблизно однакову абсолютну яскравість.

"Мета полягає в тому, щоб зробити цей метод SBF абсолютно незалежним від каліброваного цефеїдами методу з надновими типу Ia за допомогою космічного телескопу Джеймса Вебба для отримання калібрування з гілками червоних гігантів для SBF", - сказав він.

"Телескоп Джеймса Вебба потенційно здатен по-справжньому зменшити смуги помилок для SBF", - додала Ма. Але на даний момент двом суперечливим вимірюванням константи Хаббла доведеться навчитися жити одне з одним.

"Я не збиралася вимірювати H0; це було чудовим продуктом нашого опитування", - сказала вона. "Але я космолог і з великим інтересом спостерігаю за цим".

Співавторами роботи разом з Блейклі, Ма і Дженсеном є Дженні Грін з Принстонського університету, яка є лідером команди MASSIVE, та Пітер Мілн з Університету Арізони в Тусоні, який очолює групу, яка вивчає наднові типу Ia. Робота підтримана NASA (HST-GO-14219, HST-GO-14654, HST GO-15265) та Національним науковим фондом (AST-1815417, AST-1817100).

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними у Telegram або на Facebook.


       


Залишити свою думку:
Ваше і`мя:
Введіть число:    

Останні коментарі:

- ніхто ще не лишав коментарів -

ОСТАННІ НОВИНИ:

сьогодні:
четвер, 6 травня:

всі новини



СХОЖІ НОВИНИ:
Запропоновано новий метод уточнення константи Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль


11:26, 5 травня 2021 р.
Запропоновано новий метод уточнення константи Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль
 
За допомогою машинного навчання визначено та каталогізовано морфології 27 мільйонів галактик


07:25, 13 квітня 2021 р.
За допомогою машинного навчання визначено та каталогізовано морфології 27 мільйонів галактик
 
Хаббл сфотографував подвійні квазари у галактиках, що зливаються


07:49, 7 квітня 2021 р.
Хаббл сфотографував подвійні квазари у галактиках, що зливаються
 
Нове дослідження ставить під сумнів 70% нашого Всесвіту


07:41, 1 квітня 2021 р.
Нове дослідження ставить під сумнів 70% нашого Всесвіту
 
Хаббл показав галактику з “важким” рукавом


22:25, 22 березня 2021 р.
Хаббл показав галактику з “важким” рукавом
 
НОВИНИ ВІД ПАРТНЕРІВ: