"Уэбб" подтверждает точность скорости расширения Вселенной

Наблюдения с помощью космического телескопа "Джеймс Уэбб" подтверждают точность скорости расширения Вселенной, углубляя загадку напряженности постоянной Хаббла.

Скорость расширения Вселенной, известная как постоянная Хаббла, является одним из фундаментальных параметров для понимания эволюции и конечной судьбы космоса. Однако между значением этой постоянной, измеренным с помощью широкого спектра независимых индикаторов расстояний, и её значением, предсказанным на основе послесвечения Большого взрыва, наблюдается устойчивое расхождение, которое называется "напряженностью Хаббла".

Космический телескоп "Джеймс Уэбб" предоставляет новые возможности для тщательного изучения и уточнения некоторых из самых сильных наблюдательных доказательств этого расхождения. Нобелевский лауреат Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса и Научного института космического телескопа рассказывает о своей недавней работе, в которой он и его коллеги использовали наблюдения "Уэбба" для повышения точности локальных измерений постоянной Хаббла:

“Вы когда-нибудь пытались разглядеть знак, который находится на краю вашего зрения? Что на нем написано? Что он означает? Даже с помощью самых мощных телескопов "знаки", которые хотят прочитать астрономы, кажутся настолько маленькими, что мы тоже с трудом их видим”.

“Знак, который хотят прочитать космологи, -- это знак ограничения космической скорости, который говорит нам о том, как быстро расширяется Вселенная, -- число, которое называется постоянной Хаббла. Наш знак записан на звездах в далеких галактиках. Яркость определенных звезд в этих галактиках говорит нам о том, как далеко они находятся, а следовательно, сколько времени этот свет добирался до нас, а красные смещения галактик говорят нам о том, насколько расширилась Вселенная за это время, а следовательно, и о скорости расширения”.

Эта диаграмма иллюстрирует комбинированную мощность космических телескопов "Хаббл" и "Уэбб" в определении точных расстояний до особого класса переменных звезд, которые используются для калибровки скорости расширения Вселенной. Эти переменные звезды цефеиды можно увидеть в переполненных звездных полях. Световое загрязнение от окружающих звезд может сделать измерение яркости цефеид менее точным. Более острое инфракрасное зрение "Уэбба" позволяет четче изолировать цефеиду-цель от окружающих звезд, как видно на правой части диаграммы. Данные "Уэбба" подтверждают точность 30-летних наблюдений цефеид "Габблом", которые имели решающее значение для установления нижней ступени шкалы космических расстояний для измерения скорости расширения Вселенной. Слева NGC 5584 видно на комбинированном изображении с NIRCam (Камера ближнего инфракрасного диапазона) "Вебба" и Широкоугольной камеры 4 "Хаббла". Image Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI).

“Особый класс звезд -- переменные цефеиды -- уже более века дает нам самые точные измерения расстояний, поскольку эти звезды чрезвычайно яркие: это звезды-сверхгиганты, которые в сто тысяч раз превосходят по светимости Солнце. Более того, они пульсируют (то есть увеличиваются и уменьшаются в размерах) в течение нескольких недель, что указывает на их относительную светимость. Чем больше период, тем они ярче”.

“Они являются золотым стандартом для измерения расстояний между галактиками, удаленными на сто и более миллионов световых лет, что является важнейшим шагом для определения постоянной Хаббла. К сожалению, с нашей дальней точки обзора звезды в галактиках теснятся в небольшом пространстве, и поэтому нам часто не хватает разрешения, чтобы отделить их от соседей, находящихся в прямой видимости”.

“Одной из главных причин создания космического телескопа "Хаббл" было решение этой проблемы. До запуска "Хаббла" в 1990 году и последующих измерений цефеид скорость расширения Вселенной была настолько неопределенной, что астрономы не были уверены, расширяется ли Вселенная в течение 10 или 20 млрд лет. Это объясняется тем, что большая скорость расширения приводит к более молодому возрасту Вселенной, а более медленная скорость расширения -- к более старому возрасту Вселенной”.

“"Хаббл" имеет лучшее разрешение на видимой длине волны, чем любой наземный телескоп, поскольку он находится над размывающими эффектами земной атмосферы. В результате он может идентифицировать отдельные переменные цефеиды в галактиках, удаленных более чем на сто миллионов световых лет, и измерить интервал времени, в течение которого они меняют свою яркость”.

“Однако мы также должны наблюдать цефеиды в ближней инфракрасной части спектра, чтобы увидеть свет, проходящий сквозь промежуточную пыль. (Пыль поглощает и рассеивает синий оптический свет, из-за чего далекие объекты выглядят тусклыми и обманывают нас, заставляя верить, что они находятся дальше, чем на самом деле)”.

“К сожалению, зрение "Хаббла" в красном свете не такое острое, как в синем, поэтому свет цефеид, который мы видим, смешивается с другими звездами в его поле зрения. Статистически мы можем учесть среднюю величину смешения, подобно тому, как врач определяет вес, вычитая из показаний весов средний вес одежды, но это вносит шум в измерения. Одежда некоторых людей тяжелее, чем у других”.

“Однако острое инфракрасное зрение -- одна из суперспособностей космического телескопа "Джеймс Уэбб". Благодаря большому зеркалу и чувствительной оптике он может легко отделять свет цефеид от соседних звезд с незначительным смешением. В первый год работы "Уэбба" в рамках программы 1685 "Совместные наблюдатели" мы собрали наблюдения цефеид, обнаруженных "Габблом" на двух ступенях так называемой шкалы космических расстояний”.

“Первая ступень предполагает наблюдение цефеид в галактике с известным геометрическим расстоянием, что позволяет нам откалибровать истинную светимость цефеид. Для нашей программы такой галактикой является NGC 4258. Второй шаг -- наблюдения цефеид в галактиках-хозяевах недавних сверхновых типа Ia”.

“Комбинация первых двух шагов позволяет использовать знания о расстоянии до сверхновых для калибровки их истинной светимости. Третий этап заключается в наблюдении сверхновых на большом расстоянии, где расширение Вселенной является очевидным и может быть измерено путем сравнения расстояний, полученных по их яркости, и красных смещений галактик, в которых расположены сверхновые. Эта последовательность шагов известна как шкала расстояний”.

“Недавно мы получили первые измерения "Уэбба" на первой и второй ступенях, что позволяет нам завершить шкалу расстояний и сравнить их с предыдущими измерениями с помощью "Хаббла". Благодаря разрешению обсерватории в ближнем инфракрасном диапазоне волн, измерения "Уэбба" значительно уменьшили шум в измерениях цефеид”.

“О таком улучшении астрономы только мечтают! За первые два этапа мы наблюдали более 320 цефеид. Мы подтвердили точность измерений, полученных ранее с помощью космического телескопа "Хаббл", хотя и более шумных. Мы также наблюдали еще четыре сверхновые с помощью "Уэбба" и видим аналогичный результат для всей выборки”.

Сравнение отношений период-светлость цефеид, используемых для измерения расстояний. Красные точки -- данные телескопа "Уэбб", а серые точки -- данные телескопа "Хаббл". На верхней панели -- NGC 5584, сверхновая типа Ia, а на вставке -- метки изображений той самой цефеиды, которую видел каждый из телескопов. На нижней панели -- NGC 4258, галактика с известным геометрическим расстоянием, а вставка показывает разницу модулей расстояния между NGC 5584 и NGC 4258, измеренную с помощью каждого из телескопов. Эти два телескопа прекрасно согласуются. Image Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), and G. Anand (STScI).

“Что эти результаты все еще не объясняют, так это то, почему Вселенная, по-видимому, расширяется так быстро! Мы можем предсказать скорость расширения Вселенной, наблюдая ее детское изображение -- космический микроволновый фон, а затем, используя нашу лучшую модель того, как она растет со временем, сказать нам, с какой скоростью Вселенная должна расширяться сегодня”.

“Тот факт, что современное измерение скорости расширения значительно превышает прогноз, является проблемой, которая уже десятилетия называется "напряженностью Хаббла". Наиболее захватывающая возможность заключается в том, что эта напряженность является подсказкой о чем-то, чего нам не хватает в нашем понимании космоса”.

“Она может указывать на присутствие экзотической темной энергии, экзотической темной материи, на пересмотр нашего понимания гравитации или на присутствие уникальной частицы или поля. Более примитивным объяснением может быть множественная ошибка измерений, сговорившихся в одном направлении (астрономы исключили единственную ошибку, используя независимые шаги), поэтому так важно провести повторные измерения с большей точностью”.

“Поскольку "Уэбб" подтверждает измерения "Хаббла", измерения "Уэбба" дают самые убедительные доказательства того, что систематические ошибки в фотометрии цефеид "Хаббла" не играют существенной роли в нынешней "напряженности Хаббла". В результате более интересные возможности остаются на столе, а загадка напряженности становится все глубже”.

В этом сообщении приводятся данные из статьи, которая была принята к публикации в The Astrophysical Journal.

Источник: НАСА