Як швидко насправді розширюється Всесвіт?

Як ми сюди потрапили? Куди ми йдемо? І скільки це займе часу? Ці питання такі ж старі, як і саме людство, і, якщо їх уже задавали інші види у Всесвіті, потенційно набагато старші за це. Це також деякі з фундаментальних питань, на які ми намагаємося відповісти у вивченні Всесвіту, яке називається космологією. Однією з космологічних загадок є швидкість розширення Всесвіту, яка вимірюється числом, яке називається сталою Хаббла. І навколо цього є невелика напруга.

У двох нових статтях, очолюваних моїм колегою Патріком Келлі з Університету Міннесоти, ми успішно використали нову техніку — залучення світла від вибухаючої зірки, яка прибула на Землю кількома звивистими маршрутами через Всесвіт, що розширюється — для вимірювання постійної Хаббла. Статті опубліковані в Science і The Astrophysical Journal. І якщо наші результати не повністю вирішують напругу, вони дають нам ще одну підказку — і більше запитань, які варто поставити.

З 1920-х років ми знаємо, що Всесвіт розширюється. Приблизно в 1908 році американський астроном Генрієтта Лівітт знайшла спосіб виміряти власну яскравість зірки, що називається змінною цефеїдою — не те, наскільки вони яскраві з Землі, що залежить від відстані та інших факторів, а те, наскільки вони яскраві насправді. Цефеїди то яскравішають, то тьмянішають у регулярному циклі, і Лівітт показав, що внутрішня яскравість пов’язана з тривалістю цього циклу.

Закон Левітта, як його зараз називають, дозволяє вченим використовувати цефеїди як «стандартні свічки»: об’єкти, внутрішня яскравість яких відома, а отже, відстань до яких можна обчислити.

Як це працює? Уявіть собі, що зараз ніч, і ви стоїте на довгій темній вулиці, на якій лише кілька стовпів освітлення. А тепер уявіть, що кожен стовп освітлення має однаковий тип лампочки з однаковою потужністю. Ви помітите, що віддалені зображення виглядають тьмянішими за ближні.

Ми знаємо, що світло слабшає пропорційно до його відстані, відповідно до закону обернених квадратів світла. Тепер, якщо ви можете виміряти, наскільки яскравим здається вам кожне світло, і якщо ви вже знаєте, наскільки яскравим воно має бути, ви зможете визначити, на якій відстані знаходиться кожен світловий стовп. У 1929 році інший американський астроном, Едвін Хаббл, зміг знайти кілька цих зірок цефеїд в інших галактиках і виміряти відстань до них, і на основі цих відстаней та інших вимірювань він міг визначити, що Всесвіт розширюється.

Різні методи дають різні результати

Цей стандартний метод свічки є потужним і дозволяє нам вимірювати величезний Всесвіт. Ми завжди шукаємо різні свічки, які можна було б краще виміряти та побачити на набагато більшій відстані.

Деякі нещодавні спроби виміряти Всесвіт далі від Землі, як-от проєкт SH0ES, у якому я брав участь, під керівництвом Нобелівського лауреата Адама Рісса, використовували цефеїди поряд із типом вибухаючих зірок, які називаються надновими типу Ia, які також можна використовувати як стандартна свічка. Існують також інші методи вимірювання постійної Хаббла, такі як той, який використовує космічний мікрохвильовий фон — реліктове світло або випромінювання, яке почало подорожувати Всесвітом незабаром після Великого вибуху.

Проблема полягає в тому, що ці два вимірювання, одне поблизу за допомогою наднових і цефеїд, а інше набагато далі за допомогою мікрохвильового фону, відрізняються майже на 10%. Астрономи називають цю різницю напругою Хаббла і шукають нові методи вимірювання, щоб її вирішити.

Новий метод: гравітаційне лінзування

У нашій новій роботі ми успішно використали нову техніку для вимірювання цієї швидкості розширення Всесвіту. Робота заснована на надновій під назвою Supernova Refsdal. У 2014 році наша команда помітила кілька зображень однієї наднової — це було вперше, коли спостерігали таку «лінзовану» наднову. Замість того, щоб космічний телескоп Хаббл побачив одну наднову, ми побачили п’ять!

Як це відбувається? Світло наднової спалахнуло в усіх напрямках, але воно подорожувало крізь простір, спотворений величезними гравітаційними полями величезного скупчення галактик, які викривляли частину траєкторії світла таким чином, що воно дійшло до Землі кількома маршрутами. . Кожна поява наднової досягала нас різними шляхами у Всесвіті.

Уявіть, що три потяги відправляються з однієї станції одночасно. Однак один їде прямо до наступної станції, інший робить широку подорож через гори, а інший через узбережжя. Усі вони виїжджають і прибувають на ті самі станції, але здійснюють різні поїздки, тому, хоча вони вирушають одночасно, вони прибувають у різний час.

Отже, на наших зображеннях у лінзах показано ту саму наднову, яка вибухнула в певний момент часу, але кожне зображення пройшло інший шлях. Дивлячись на прибуття на Землю кожної появи наднової зірки (одна з яких відбулася у 2015 році, після того, як зірку, що вибухнула, вже було помічено), ми змогли виміряти час їх подорожі, а отже, наскільки Всесвіт виріс, поки зображення був у дорозі.

Ми вже там?

Це дало нам інший, але унікальний вимір зростання Всесвіту. У статтях ми виявили, що це вимірювання ближче до вимірювання космічного мікрохвильового фону, а не до вимірювання цефеїд і наднових поблизу. Однак, виходячи з його розташування, він повинен бути ближчим до вимірювання цефеїди та наднової.

Хоча це зовсім не вирішує дискусію, це дає нам ще одну підказку для розгляду. Може виникнути проблема зі значенням наднової, або з нашим розумінням скупчень галактик і моделей, які застосовуються до лінзування, або з чимось зовсім іншим. Подібно до дітей, які сидять на задньому сидінні автомобіля під час подорожі і запитують «ми вже там», ми все ще не знаємо.