Уточнення швидкості розширення Всесвіту може призвести до нової фізики
Це було на початку 90-х років. Обсерваторія Карнегі у Пасадені, штат Каліфорнія, спорожніла на різдвяні канікули. Венді Фрідман, одна в бібліотеці, працювала над величезною та тернистою проблемою: швидкість розширення Всесвіту. Карнегі була благодатним підґрунтям для такого роду робіт. Саме тут, в 1929 році, Едвін Хаббл вперше побачив далекі галактики, що відлітають геть від Чумацького Шляху, підстрибуючи в зовнішньому потоці простору, що розширюється. Швидкість цього потоку стала називатися постійною Хаббла.
Тиха робота Фрідман незабаром була перервана, коли до бібліотеки увірвався колега-астроном Аллан Сендідж, науковий спадкоємець Хаббла, який десятиліттями правив і уточнював постійну Хаббла, послідовно захищаючи повільні темпи розширення. Фрідман однією з останніх захищала вищі темпи, і Сендідж бачив її єретичне дослідження.
«Він був такий злий», згадує Фрідман, яка тепер працює в університеті Чикаго в штаті Іллінойс, «що в той момент я усвідомила, що ми залишилися вдвох в цілому будинку. Я зробила крок назад і подумала, що ми працюємо не в самій дружній галузі науки».
Це протистояння стихло, але не зовсім. Сендідж помер у 2010 році, і на той час більшість астрономів зійшлися на постійній Хаббла у вузькому діапазоні. Однак нові дані, які, напевно, сподобалися б самому Сендіджу, свідчать на користь того, що постійна Хаббла на 8% нижче, ніж провідне число. Майже сто років астрономи обчислювали її, ретельно вимірюючи відстані в найближчій до нас частині всесвіту і просуваючись далі і далі. Але нещодавно астрофізики виміряли постійну зовні, ґрунтуючись на картах космічного мікрохвильового фону (CMB), плямистого післясвічення Великого Вибуху, яке стало тлом для видимої частиниВсесвіту. Роблячи припущення про те, як тяги-штовхайка енергії та матерії у Всесвіті змінювала темп космічного розширення відтоді, як сформувався космічний мікрохвильовий фон, астрофізики можуть брати свої карти та підлаштовувати постійну Хаббла до сучасного локального Всесвіту. Цифри мають збігатися. Але вони не збігаються.
Можливо, в одному підході є щось неправильне. Обидві сторони шукають недоліки в методах своїх та інших, і старші постаті, такі як Фрідман, поспішають подати власні пропозиції. «Ми не знаємо, в який бік це все приведе», каже Фрідман.
Але якщо згоди не буде досягнуто, це стане тріщиною на небосхилі сучасної космології. Це може означати, що в існуючих теоріях відсутній якийсь інгредієнт, який втручався між сьогоденням і давнім минулим, вплітаючись у ланцюжок взаємодій CMB із справжньою постійною Хаббла. Якщо це так, то історія повторюватиметься. У 1990-х роках Адам Рісс, зараз астрофізик з Університету Джона Хопкінса в Балтіморі, штат Меріленд, очолив одну з груп, що відкрили темну енергію, що відштовхує силу, яка прискорює розширення Всесвіту. Це один із факторів, які розрахунки CMB повинні брати до уваги.
Тепер команда Рісса веде пошуки постійної Хаббла у навколишньому просторі та за його межами. Його мета не лише у тому, щоб уточнити число, а й вловити, чи змінюється воно з часом таким чином, що навіть темна енергія не може це пояснити. Поки що він слабо розуміє, яким може бути чинник, що бракує. І йому дуже цікаво, що відбувається.
1927 року 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 Пасаденою.Він сфотографував слабкі спіральні плями, які тепер відомі нам як галактики, і виміряв почервоніння їхнього світла в міру їхнього доплерівського зсуву до довгих хвиль світла. Порівнюючи червоне зміщення галактик з їхньою яскравістю, Хаббл дійшов цікавих висновків: чим тьмянішою і, ймовірно, далі була галактика, тим швидше вона віддалялася. Отже, Всесвіт розширюється. І отже, у Всесвіту є кінцевий вік, відлік якого розпочався з Великого Вибуху.
Космічне протиріччя
Диспут на тему постійної Хаббла та темпу розширення Всесвіту заграв із новою силою. Астрономи приходили до певної кількості, використовуючи класичну методику «сходів дистанцій», або астрономічні спостереження локального всесвіту. Але ці значення конфліктують із космологічними оцінками, зробленими на основі карт раннього всесвіту та підв'язаними до сьогоднішнього дня. З цієї суперечки випливає, що зростання всесвіту може підживлювати недостатній інгредієнт.
Щоб визначити швидкість розширення — і відповідну постійну — Хаблу потрібні були реальні відстані до галактик, а не лише відносні, що ґрунтуються на їхній видимій яскравості. Тому він почав трудомісткий процес побудови дистанційних сходів — від Чумацького Шляху до сусідніх галактик і далі, до самих меж простору, що розширюється. Кожен ступінь сходів повинен бути відкалібрований «стандартними свічками»: об'єктами, які зміщуються, пульсують, спалахують або обертаються таким чином, щоб можна було точно встановити, як далеко вони знаходяться.
Перший ступінь здавався досить надійним: змінні зірки, звані цефеїдами, які нарощують і знижують яскравість після декількох днів або тижнів. Довжина цього циклу вказує на внутрішню яскравість зірки. Порівнюючи яскравість, що спостерігаєтьсяцефеїди з яскравістю, що виходить з її вагань, Хаббл міг розрахувати відстань до неї. Телескоп Маунт-Вілсон зміг розглянути кілька цефеїдів у найближчих галактиках. Для далеких галактик він припускав, що яскраві зірки в них матимуть таку саму внутрішню яскравість. Навіть у найдальших галактиках, припускав Хаббл, будуть стандартні свічки з однорідною світністю.
У 1949 році завершилося будівництво 5,1-метрового телескопа в Паломарі в південній Каліфорнії — якраз на той час, коли Хаббла зазнав серцевого нападу. Він передав мантію Сендіджу, козирному спостерігачеві, який провів наступні десятиліття, виявляючи фотографічні платівки під час нічних сесій, працюючи з гігантським апаратом телескопа, тремтячи від холоду і потребуючи перерв.
З більш високою роздільною здатністю Паломара і високою світлозбиральною силою, Сендідж зміг вивудити цефеїди з більш віддалених галактик. Він також усвідомив, що яскраві зірки Хаббла були по суті цілими зоряними скупченнями. Вони були яскравішими за своєю природою і, отже, набагато далі, ніж думав Хаббл, що, крім інших поправок, мало на увазі набагато нижчу постійну Хаббла. 1980-го року Сендідж зупинився на значенні в 50, яке затято відстоював. Один із його найвідоміших супротивників, французький астроном Жерар де Вокулер, пропонував значення у 50. Один із найважливіших параметрів у космології розбігався буквально вдвічі.
Наприкінці 1990-х років Фрідман, переживши словесну образу Сендіджа, поставила собі завдання вирішити цю головоломку за допомогою нового інструменту, ніби навмисно створеного для її роботи: космічного телескопа Хаббла. Його чіткий погляд поверх атмосфери дозволив команді Фрідман виявити окремі цефеїди в 10 разів далі, ніж Сендідж вдалося з Паломаром.Іноді в цих галактиках були як цефеїди, так і яскравіші маяки - наднові типу Ia. Ці білі карликові зірки, що вибухають, видно через космос і спалахують з постійною і максимальною яскравістю. Відкалібровані за цефеїдами, 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 чварі Сендіджа і де Вокулера. "Я була виснажена", каже вона. "Я думала, ніколи не повернуся до роботи над постійною Хаббла".
Едвін Хаббл
Зробивши кілька припущень про інгредієнти в цьому бульйоні — у вигляді знайомих частинок, атомів і фотонів, деякі додаткові невидимі речовини на зразок темної матерії та темної енергії — команда WMAP змогла обчислити фізичний розмір цих первинних звукових хвиль. Його можна порівняти з розміром звукових хвиль, записаних в плямах CMB. Це порівняння дало відстань до мікрохвильового фону і значення швидкості розширення Всесвіту на той початковий момент. Зробивши припущення про те, як звичайні частинки, темна енергія та темна матерія з того часу змінили розширення, команда WMAP змогла привести постійну величину у відповідність до її поточної швидкості наростання. Спочатку вони вивели значення в 72, відповідно до того, що знайшла Фрідман.
Але з того часу астрономічні виміри постійної Хаббла показували вищі значення, хоча похибка знижувалася. В останніх публікаціях Рісс вийшов вперед, використовуючи інфрачервону камеру, встановлену в 2009 році на телескопі Хаббла, яка може визначити відстані до цефеїд Чумацького Шляху і виділити їх найдальших, червоніших родичів серед більш синіх зірок, які звичайні оточують цефеїди. Останній результат,який видала команда Рісса - 73,24.
Тим часом, місія Планка (ЕКА), яка показала CMB у високій роздільній здатності та з підвищеною температурною точністю, зупинилася на значенні 67,8. За законами статистики, ці дві величини розділені пробілом у 3,4 сигми — не в 5 сигмах, які у фізиці частинок говорять про значний результат, але вже майже. "Це складно пояснити статистичною помилкою", каже Чак Беннет, астрофізик з університету Джона Хопкінса, який керував командою WMAP.
У відповідь астрономи стверджують, що роблять фактичний вимір сучасного Всесвіту, оскільки метод виміру CMB покладається на безліч космологічних припущень. Якщо вони не сходяться, кажуть вони, чому б тоді не змінити космології? Натомість «Георг Ефстатіус виходить і говорить, мовляв, я збираюся переосмислити всі ваші дані», каже Баррі Мадор із університету Чикаго, чоловік і колега Фрідман з 1980-х років. Що робити? Потрібно розрубати гордієв вузол.
Венді Фрідман вважала, що її дослідження від 2001 виявило постійну Хаббла, але суперечки розгорілися з новою силою.
Тим часом космологи також мають козирі в рукаві: баріонні акустичні коливання (БАО). У міру того, як Всесвіт дорослішає, ті ж звукові хвилі, що були надруковані 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 очевидної 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 із Планком. Четверта ітерація Sloan Digital Sky Survey, глобального обстеження неба,що становить галактичну карту, допоможе уточнити ці виміри.
Це не означає, що команди, які ведуть боротьбу за сходи дистанцій і CMB, просто чекають на інші способи вирішення спору. Щоб зміцнити фундамент дистанційних сходів, відстаней до цефеїд у Чумацькому Шляху, місія Gaia Європейського космічного агентства намагається визначити точні відстані до мільярда різних довколишніх зірок, включаючи цефеїди. Gaia, яка знаходиться на орбіті біля Сонця за межами Землі, використовує найнадійніші заходи: паралакс, або зсув зірок щодо небесного фону, коли космічний апарат досягає протилежних точок своєї орбіти. Коли в 2022 році буде випущений повний набір даних Gaia, він надасть додатковий ґрунт для впевненості астрономів. Рісс вже виявив натяки на користь своєї вищої постійної Хаббла, коли використав попередні результати Gaia.
Космологи також сподіваються закріпити свої вимірювання за допомогою космологічного телескопа в Атакамі в Чилі та 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 частинку до Стандартної моделі Всесвіту. CMB пропонує оцінку загального енергетичного бюджету невдовзі після Великого Вибуху, коли він був розділений на матерію та високоенергетичне випромінювання. Як випливає із знаменитої формули еквівалентності Ейнштейна E = mc 2 , енергія діяла як матерія, уповільнюючи розширення простору своєю гравітацією. Але матерія — більш ефективне гальмо. Згодом випромінювання – фотони світла та інші легкі частинки на кшталт нейтрино – остигали та втрачалиенергію, гравітаційний вплив слабшав.
В даний час відомо три типи нейтрино. Якщо існував четвертий, як припускали деякі теоретики, на стороні випромінювання у початковому енергетичному бюджеті всесвіту було трохи більше, і розсіювалася ця частина швидше. Це, у свою чергу, означало б, що ранній всесвіт розширювався швидше, ніж передбачає список інгредієнтів сучасної космології. Надалі це доповнення могло б помирити два різні результати. Але детектори нейтрино поки що не виявили жодних натяків на нейтрино четвертого типу, а інші виміри Планка обмежили загальний обсяг надмірного 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 часом, вона пояснила б, чому космос сьогодні розширюється швидше, ніж можна було б подумати, дивлячись на ранній Всесвіт. Однак варіативна темна енергія здається зайвою. Космологи та 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 у нових спостереженнях Всесвіту. Разом з Мадором вони готуються провести окремий вимір, відкалібрований не лише за цефеїдами, а й за іншими типами змінних зірок та яскравими червоними гігантами. Найближчі приклади можна буде вивчити за допомогою автоматичного телескопа завширшки 30 сантиметрів, а далекі допоможуть дослідити космічні телескопи Хаббл і Спітцер. Раз вона змогла впоратися з темним і буйствуючим Сендіджем, вона готова відповісти на зухвалий виклик команди Планка і Рісса.
«Вони сказали, що ми не маємо рації. Що ж, побачимо», — жартує вона.