“Вебб” підтверджує точність швидкості розширення Всесвіту

Спостереження за допомогою космічного телескопа “Джеймс Вебб” підтверджують точність швидкості розширення Всесвіту, поглиблюючи загадку напруженості сталої Габбла.

Швидкість розширення Всесвіту, відома як стала Габбла, є одним з фундаментальних параметрів для розуміння еволюції та кінцевої долі космосу. Однак між значенням цієї сталої, виміряним за допомогою широкого спектра незалежних індикаторів відстаней, та її значенням, передбаченим на основі післясвітіння Великого вибуху, спостерігається стійка розбіжність, яка називається "напруженістю Габбла".

Космічний телескоп "Джеймс Вебб" надає нові можливості для ретельного вивчення й уточнення деяких з найсильніших наглядових доказів цієї розбіжності. Нобелівський лауреат Адам Рісс з Університету Джона Гопкінса та Наукового інституту космічного телескопа розповідає про свою нещодавню роботу, в якій він та його колеги використовували спостереження "Вебба" для підвищення точності локальних вимірів сталої Габбла:

“Ви коли-небудь намагалися розгледіти знак, який знаходиться на краю вашого зору? Що на ньому написано? Що він означає? Навіть за допомогою найпотужніших телескопів "знаки", які хочуть прочитати астрономи, здаються настільки маленькими, що ми теж насилу їх бачимо”.

“Знак, який хочуть прочитати космологи, -- це знак обмеження космічної швидкості, який говорить нам про те, як швидко розширюється Всесвіт, -- число, яке називається сталою Габбла. Наш знак записаний на зорях у далеких галактиках. Яскравість певних зірок у цих галактиках говорить нам про те, як далеко вони перебувають, а отже, скільки часу це світло добиралося до нас, а червоні зміщення галактик говорять нам про те, наскільки розширився Всесвіт за цей час, а отже, і про швидкість розширення”.

Ця діаграма ілюструє комбіновану потужність космічних телескопів "Габбл" і "Вебб" у визначенні точних відстаней до особливого класу змінних зірок, які використовуються для калібрування швидкості розширення Всесвіту. Ці змінні зорі цефеїди можна побачити в переповнених зоряних полях. Світлове забруднення від навколишніх зірок може зробити вимірювання яскравості цефеїд менш точним. Гостріший інфрачервоний зір "Вебба" дозволяє чіткіше ізолювати цефеїду-ціль від навколишніх зірок, як видно на правій частині діаграми. Дані "Вебба" підтверджують точність 30-річних спостережень цефеїд "Габблом", які мали вирішальне значення для встановлення нижньої щаблини шкали космічних відстаней для вимірювання швидкості розширення Всесвіту. Ліворуч NGC 5584 видно на комбінованому зображенні з NIRCam (камера ближнього інфрачервоного діапазону) "Вебба" і Ширококутної камери 4 "Габбла". Image Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI).

“Особливий клас зірок -- змінні цефеїди -- вже понад століття дає нам найточніші виміри відстаней, оскільки ці зорі надзвичайно яскраві: це зорі-надгіганти, які у сто тисяч разів перевершують за світністю Сонце. Ба більше, вони пульсують (тобто збільшуються та зменшуються в розмірах) протягом кількох тижнів, що вказує на їхню відносну світність. Чим більший період, тим вони яскравіші”.

“Вони є золотим стандартом для вимірювання відстаней між галактиками, віддаленими на сто та більше мільйонів світлових років, що є найважливішим кроком для визначення сталої Габбла. На жаль, з нашої далекої точки огляду зорі в галактиках тісняться в невеликому просторі, і тому нам часто бракує роздільної здатності, щоб відокремити їх від сусідів, які перебувають у прямій видимості”.

“Однією з головних причин створення космічного телескопа "Габбл" було вирішення цієї проблеми. До запуску "Габбла" 1990 року та подальших вимірювань цефеїд швидкість розширення Всесвіту була настільки невизначеною, що астрономи не були впевнені, чи розширюється Всесвіт протягом 10 або 20 млрд років. Це пояснюється тим, що більша швидкість розширення призводить до більш молодого віку Всесвіту, а більш повільна швидкість розширення -- до більш старого віку Всесвіту”.

“"Габбл" має кращу роздільну здатність на видимій довжині хвилі, ніж будь-який наземний телескоп, оскільки він перебуває над розмивними ефектами земної атмосфери. У результаті він може ідентифікувати окремі змінні цефеїди в галактиках, віддалених більш ніж на сто мільйонів світлових років, і виміряти інтервал часу, протягом якого вони змінюють свою яскравість”.

“Однак ми також повинні спостерігати цефеїди в ближній інфрачервоній частині спектра, щоб побачити світло, що проходить крізь проміжний пил. (Пил поглинає й розсіює синє оптичне світло, через що далекі об′єкти виглядають тьмяними та обманюють нас, змушуючи вірити, що вони знаходяться далі, ніж є насправді)”.

“На жаль, зір "Габбла" в червоному світлі не такий гострий, як у синьому, тому світло цефеїд, яке ми бачимо, змішується з іншими зірками в його полі зору. Статистично ми можемо врахувати середню величину змішання, подібно до того, як лікар визначає вагу, віднімаючи від показів ваг середню вагу одягу, але це вносить шум у вимірювання. Одяг деяких людей важчий, ніж в інших”.

“Однак гострий інфрачервоний зір -- одна із суперздібностей космічного телескопа "Джеймс Вебб". Завдяки великому дзеркалу й чутливій оптиці він може легко відокремлювати світло цефеїд від сусідніх зірок з незначним змішанням. У перший рік роботи "Вебба" в рамках програми 1685 "Спільні спостерігачі" ми зібрали спостереження цефеїд, виявлених "Габблом" на двох щаблях так званої шкали космічних відстаней”.

“Перший щабель передбачає спостереження цефеїд у галактиці з відомою геометричною відстанню, що дає нам змогу відкалібрувати справжню світність цефеїд. Для нашої програми такою галактикою є NGC 4258. Другий крок -- спостереження цефеїд у галактиках-господарях недавніх наднових типу Ia”.

“Комбінація перших двох кроків дає змогу використовувати знання про відстань до наднових для калібрування їхньої істинної світності. Третій етап полягає у спостереженні наднових на великій відстані, де розширення Всесвіту є очевидним і може бути виміряне шляхом порівняння відстаней, отриманих за їхньою яскравістю, та червоних зсувів галактик, у яких розташовані наднові. Ця послідовність кроків відома як шкала відстаней”.

“Нещодавно ми отримали перші вимірювання "Вебба" на першій і другій щаблях, що дає нам змогу завершити шкалу відстаней та порівняти їх з попередніми вимірами за допомогою "Габбла". Завдяки роздільній здатності обсерваторії в ближньому інфрачервоному діапазоні хвиль, вимірювання "Вебба" значно зменшили шум у вимірах цефеїд”.

“Про таке поліпшення астрономи тільки мріють! За перші два етапи ми спостерігали понад 320 цефеїд. Ми підтвердили точність вимірювань, отриманих раніше за допомогою космічного телескопа "Габбл", хоча й більш шумних. Ми також спостерігали ще чотири наднові за допомогою "Вебба" та бачимо аналогічний результат для всієї вибірки”.

Порівняння відношень період-світність цефеїд, що використовуються для вимірювання відстаней. Червоні точки -- дані телескопа "Вебб", а сірі точки -- дані телескопа "Габбл". На верхній панелі -- NGC 5584, наднова типу Ia, а на вставці -- мітки зображень тієї самої цефеїди, яку бачив кожен з телескопів. На нижній панелі -- NGC 4258, галактика з відомою геометричною відстанню, а вставка показує різницю модулів відстані між NGC 5584 і NGC 4258, виміряну за допомогою кожного з телескопів. Ці два телескопи чудово узгоджуються. Image Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), and G. Anand (STScI).

“Що ці результати все ще не пояснюють, так це те, чому Всесвіт, мабуть, розширюється так швидко! Ми можемо передбачити швидкість розширення Всесвіту, спостерігаючи його дитяче зображення -- космічний мікрохвильовий фон, а потім, використовуючи нашу кращу модель того, як він зростає з часом, сказати нам, з якою швидкістю Всесвіт має розширюватися сьогодні”.

“Той факт, що сучасний вимір швидкості розширення значно перевищує прогноз, є проблемою, яка вже десятиліття називається "напруженістю Габбла". Найбільш захоплива можливість полягає в тому, що ця напруженість є підказкою про щось, чого нам не вистачає в нашому розумінні космосу”.

“Вона може вказувати на присутність екзотичної темної енергії, екзотичної темної матерії, на перегляд нашого розуміння гравітації або на присутність унікальної частинки чи поля. Більш примітивним поясненням може бути множинна помилка вимірювань, що змовилися в одному напрямку (астрономи виключили єдину помилку, використовуючи незалежні кроки), тому так важливо провести повторні вимірювання з більшою точністю”.

“Оскільки "Вебб" підтверджує вимірювання "Габбла", вимірювання "Вебба" дають найпереконливіші докази того, що систематичні помилки у фотометрії цефеїд "Габбла" не відіграють суттєвої ролі в нинішній "напруженості Габбла". У результаті цікавіші можливості залишаються на столі, а загадка напруженості стає все глибшою”.

У цьому повідомленні наводяться дані зі статті, яка була прийнята до публікації в The Astrophysical Journal.

Джерело: НАСА

• телескоп Вебба
• розширення Всесвіту