Насколько быстро Вселенная расширяется? Галактики предлагают ответ

Определение того, насколько быстро Вселенная расширяется, является ключевым для понимания нашей космической судьбы, но с более точными данными возникла загадка: оценки, основанные на измерениях в нашей локальной Вселенной, не согласуются с экстраполяцией с эпохи вскоре после Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад.

Новая оценка скорости локального расширения -- константа Хаббла, или H0 -- усиливает это несоответствие, рассказывают в Калифорнийском университете в Беркли.

Используя относительно новую и потенциально более точную технику измерения космических расстояний, которая обрабатывает среднюю звездную яркость в гигантских эллиптических галактиках в качестве ступени на шкале расстояний, астрономы вычисляют скорость -- 73,3 километра в секунду на мегапарсек, плюс-минус 2,5 км/сек/Мпк -- которая находится посередине трех других доброкачественных оценок, включая оценку-золотой стандарт от сверхновых типов Ia. Это означает, что на каждый мегапарсек -- 3,3 миллиона световых лет, или 3 миллиарда триллионов километров -- от Земли Вселенная расширяется на дополнительные 73,3 ± 2,5 километра в секунду. Среднее значение для трех других методов составляет 73,5 ± 1,4 км/сек/Мпк.

Вызывает удивление, что оценки скорости локального расширения на основе измерения флуктуаций космического микроволнового фона и, независимо, флуктуаций плотности нормальной материи в ранней Вселенной (барионные акустические осцилляции) дают совсем другой ответ: 67,4 ± 0,5 км/сек/Мпк.

Разумеется, астрономы обеспокоены этим несоответствием, поскольку скорость расширения является критическим параметром для понимания физики и эволюции Вселенной и является ключевой для понимания темной энергии -- которая ускоряет скорость расширения Вселенной и, таким образом, приводит к изменению константы Хаббла быстрее, чем ожидалось, с увеличением расстояния от Земли. Темная энергия составляет около двух третей массы и энергии во Вселенной, но все еще остается загадкой.

Для новой оценки астрономы измеряли флуктуации поверхностной яркости 63 гигантских эллиптических галактик для определения расстояния и нанесли на график расстояние-скорость каждой, чтобы получить H0. Метод флуктуаций поверхностной яркости (SBF) не зависит от других методов и может дать более точные оценки расстояния, чем другие методы в пределах примерно 100 Мпк от Земли, или 330 миллионов световых лет. 63 галактики в выборке находятся на расстояниях от 15 до 99 Мпк, оглядываясь назад во времени лишь на небольшую долю возраста Вселенной.

"Для измерения расстояний к галактикам до 100 мегапарсек этот метод фантастичен", - сказала космолог Чунг-Пей Ма - профессор физических наук Джуди Чандлер Уэбб в Калифорнийском университете в Беркли и профессор астрономии и физики. "Это первая работа, которая собирает большой, однородный набор данных из 63 галактик с целью изучения Н0 методом SBF".

Новости по подобной теме:

		Три "красных монстра" в ранней Вселенной бросают вызов современным моделям формирования галактик
		Уэбб и Хаббл показали жуткую пару галактик
		В далеком космосе обнаружена странная галактика

Ма руководит опросом локальных галактик MASSIVE, который предоставил данные о 43 галактиках - двух третих из тех, что обрабатывались в новом анализе.

Данные об этих 63 галактиках собрал и проанализировал Джон Блейксли, астроном из NOIRLab Национального научного фонда (NSF). Он является первым автором статьи, которую приняли на публикацию в The Astrophysical Journal, написанную им в соавторстве с коллегой Джозефом Дженсеном из Университета Юта-Вэлли в Ореме. Блексли, возглавляющий научный персонал, поддерживающий оптические и инфракрасные обсерватории NSF, является пионером в использовании метода SBF для измерения расстояний к галактикам, а Дженсен был одним из первых, кто применил метод на инфракрасных длинах волн. Они тесно сотрудничали с Ма над анализом.

"Вся история астрономии в определенном смысле является попыткой понять абсолютный масштаб Вселенной, который потом рассказывает нам о физике", - сказал Блексли, вспоминая путешествие Джеймса Кука на Таити в 1769 году для измерения транзита Венеры, чтобы ученые могли рассчитать истинный размер Солнечной системы. "Метод SBF более широко применим в общей популяции эволюционировавших галактик в локальном Вселенной, и, конечно, если мы получим достаточно галактик с помощью космического телескопа Джеймса Вебба, этот метод может дать лучшое локальное измерение константы Хаббла".

Космический телескоп Джеймса Вебба, который в 100 раз мощнее космического телескопа Хаббла, планируют запустить в октябре.

Гигантские эллиптические галактики

Постоянная Хаббла была яблоком раздора в течение десятилетий, с тех пор, как Эдвин Хаббл впервые измерил скорость локального расширения и предложил ответ в семь раз большый, имея в виду, что Вселенная на самом деле моложе своих древнейших звезд. Проблема, как тогда, так и сейчас, заключается в том, чтобы закрепить расположение объектов в космосе, что дает мало подсказок о том, как далеко они находятся.

Изображения, полученные космическим телескопом "Хаббл", таких гигантских эллиптических галактик, как эта, NGC 1453, используются для определения флуктуаций поверхностной яркости и оценки расстояния этих галактик от Земли. Фото: Space Telescope Science Institute.

В течение многих лет астрономы преодолевали все большие расстояния, начиная с вычисления расстояния до объектов, расположенных настолько близко, что кажется, они движутся из-за параллакса, поскольку Земля вращается вокруг Солнца. Переменные звезды, называемые цефеидами, переносят вас дальше, поскольку их яркость связана с периодом их изменчивости, а сверхновые типа Ia -- еще дальше, поскольку это очень мощные взрывы, которые на своем пике сияют так ярко, как целая галактика. Как для цефеид, так и для сверхновых типа Ia можно определить абсолютную яркость за тем, как они меняются со временем, а затем можно рассчитать расстояние по их видимой с Земли яркости.

Лучшая текущая оценка H0 происходит с расстояний, определенных по взрывам сверхновых типа Ia в удаленных галактиках, хотя новые методы -- задержки времени, вызванные гравитационным линзированием дальних квазаров, и яркость водяных мазеров, вращающихся вокруг черных дыр -- дают примерно то же число.

Техника, использующая флуктуации поверхностной яркости, является одной из самых новых и опирается на тот факт, что гигантские эллиптические галактики старые и имеют постоянные популяции старых звезд -- преимущественно звезд-красных гигантов -- которые можно смоделировать, чтобы получить среднюю инфракрасную яркость на их поверхности. Исследователи получили инфракрасные изображения высокого разрешения каждой галактики с помощью "Широкоугольной камеры 3" на космическом телескопе Хаббла и определили, насколько каждый пиксель на изображении отличается от "среднего" -- чем более плавные флуктуации на всем изображении, тем дальше галактика, после внесения поправок на такие пятна, как яркие звездообразующие регионы, которые авторы исключают из анализа.

Ни Блексли, ни Ма не были удивлены тем, что скорость расширения оказалась близкой к другим локальным измерениям. Но все равно смущает вопиющий конфликт с оценками по ранней Вселенной - конфликт, который, по мнению многих астрономов, означает, что наши современные космологические теории ошибочны или, по крайней мере, неполны.

Экстраполяции с ранней Вселенной основаны на простой космологической теории -- так называемой лямбда-холодной темной материи, или CDM -- которая использует лишь несколько параметров для описания эволюции Вселенной. Может забивает новая оценка кол в сердце CDM?

"Я думаю, что она (новая оценка) толкает этот кол несколько больше", - говорит Блексли. "Но она (CDM) все еще жива. Некоторые люди считают, что по всем этим локальным измерениям, наблюдатели ошибаются. Но все сложнее становится об этом утверждать - это потребовало бы систематических ошибок в одном направлении для нескольких различных методов: сверхновых, SBF, гравитационного линзирования, водяных мазеров. Поэтому, по мере того, как мы получаем больше независимых измерений, этот кол заходит немного глубже".

Ма задается вопросом, слишком ли оптимистичны неопределенности, которые астрономы приписывают своим измерением, которые отражают как систематические, так и статистические ошибки, и, возможно, эти два диапазона оценок все еще можно согласовать.

"Присяжные вышли", - говорит она. "Я думаю, что это действительно присутствует в полосах ошибок. Но если предположить, что все полосы ошибок не недооцениваются, то напряжение становится некомфортным".

Фактически, один из гигантов этого поля, астроном Венди Фридман, недавно опубликовал исследование, в котором константа Хаббла устанавливается в 69,8 ± 1,9 км/сек/Мпк, еще больше мутя воды. Последний результат от Адама Рисса, астронома, который получил Нобелевскую премию по физике 2011 года за открытие темной энергии, составляет 73,2 ± 1,3 км/сек/Мпк. Рисс был докторантом Миллера в Калифорнийском университете в Беркли, когда выполнял это исследование, и он поделился призом с физиком этого вуза и Лаборатории Беркли Соломом Перлматтером.

МАССИВНЫЕ галактики

Новое значение H0 является побочным продуктом двух других обследований близлежащих галактик, в частности, обследования MASSIVE, проведенное Ma, которое использует космические и наземные телескопы для исчерпывающего изучения 100 самых массивных галактик в пределах примерно 100 Мпк от Земли. Главная цель -- учесть сверхмассивные черные дыры в центрах каждой из них.

Еще одно изображение гигантской эллиптической галактики NGC1453, сделанное Pan-STARRS (Телескоп панорамного обзора и система быстрого реагирования) в обсерватории Халеакала на острове Мауи на Гавайях.

Для этого нужны точные расстояния, а метод SBF является лучшим на сегодняшний день, сказала она. Команда MASSIVE использовала этот метод в прошлом году, чтобы определить расстояние до гигантской эллиптической галактики NGC 1453 в созвездии Эридана на южном небе. Сочетая это расстояние, 166 млн световых лет, с обширными спектроскопическими данным телескопов Джемини и Макдональда -- которые позволили аспирантам Ма Крису Липольду и Мэтью Квенневилу измерить скорости звезд вблизи центра галактики -- они пришли к выводу, что NGC 1453 имеет центральную черную дыру, масса которой почти в 3 миллиарда раз превышает солнечную.

Чтобы определить H0, Блексли рассчитал расстояния SBF к 43 галактикам в обследовании MASSIVE, исходя из 45-90 минут времени наблюдений HST для каждой галактики. Остальные 20 были получены в результате другого опроса, в котором HST использовался для получения изображений больших галактик, в частности тех, в которых были обнаружены сверхновые типа Ia.

Большинство из 63 галактик имеют возраст от 8 до 12 миллиардов лет, а это значит, что они содержат большую популяцию старых красных звезд, которые являются ключевыми для метода SBF, а также могут использоваться для повышения точности расчетов расстояний. В работе Блейксли задействовал как переменные звезды цефеиды, так и технику, которая использует самые яркие в галактике звезды-красные гиганты -- что называется вершиной ветви красных гигантов, или техника TRGB -- для восхождения к галактикам на больших расстояниях. Они дали последовательные результаты. Техника TRGB учитывает тот факт, что самые яркие красные гиганты в галактиках имеют примерно одинаковую абсолютную яркость.

"Цель состоит в том, чтобы сделать этот метод SBF абсолютно независимым от калиброванного цефеидами метода со сверхновыми типа Ia с помощью космического телескопа Джеймса Вебба для получения калибровки с ветвями красных гигантов для SBF", - сказал он.

"Телескоп Джеймса Вебба потенциально способен по-настоящему уменьшить полосы ошибок для SBF", - добавила Ма. Но на данный момент двум противоречивым измерением константы Хаббла придется научиться жить друг с другом.

"Я не собиралась измерять H0, это было замечательным продуктом нашего опроса", - сказала она. "Но я космолог и с большим интересом наблюдаю за этим".

Соавторами работы вместе с Блейкли, Ма и Дженсеном является Дженни Грин из Принстонского университета, который является лидером команды MASSIVE, и Питер Милн из Университета Аризоны в Тусоне, возглавляющий группу, которая изучает сверхновые типа Ia. Работа поддержана NASA (HST-GO-14219, HST-GO-14654, HST GO-15265) и Национальным научным фондом (AST-1815417, AST-1817100).

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.

• расширение Вселенной
• Галактики