Новий вимір може змінити наше розуміння Всесвіту

Всесвіт розширюється, але як саме швидко? Схоже, що відповідь залежить від того, чи ви оцінюєте швидкість космічного розширення, яку називають сталою Хаббла, або H₀, на основі відлуння Великого вибуху (космічного мікрохвильового фону, або CMB), чи вимірюєте H ₀ безпосередньо на основі сучасні зірки та галактики. Ця проблема, відома як напруга Хаббла, спантеличила астрофізиків і космологів у всьому світі.

Дослідження, проведене дослідницькою групою Stellar Standard Candles and Distances під керівництвом Річарда Андерсона з Інституту фізики EPFL, додає нову частину головоломки. Їхнє дослідження, опубліковане в Astronomy & Astrophysics, досягло найточнішого на сьогодні калібрування зірок цефеїд — типу змінних зірок, яскравість яких коливається протягом певного періоду — для вимірювання відстані на основі даних, зібраних Gaia Європейського космічного агентства (ESA). місія. Це нове калібрування ще більше посилює напругу Хаббла.

Постійна Хаббла (H ₀ ) названа на честь астрофізика, який разом із Жоржем Леметром відкрив це явище наприкінці 1920-х років. Він вимірюється в кілометрах на секунду на мегапарсек (км/с/Мпк), де 1 Мпк дорівнює приблизно 3,26 мільйонам світлових років.

Найкраще пряме вимірювання H ₀ використовує «сходи космічної відстані», перша сходинка якої встановлюється абсолютним калібруванням яскравості цефеїд, яке тепер перекалібровано дослідженням EPFL. Своєю чергою, цефеїди калібрують наступну сходинку сходів, де наднові — потужні вибухи зірок наприкінці їхнього життя — відстежують розширення самого простору.

Ця шкала відстаней, виміряна надновими, H₀, для групи Рівняння стану темної енергії (SH0ES) на чолі з Адамом Ріссом, лауреатом Нобелівської премії з фізики 2011 року, показує, що H ₀ становить 73,0±1,0 км/с/Мпк..

Перше випромінювання після Великого вибуху

H ₀ також можна визначити шляхом інтерпретації CMB — повсюдного мікрохвильового випромінювання, що залишилося від Великого вибуху понад 13 мільярдів років тому. Однак цей метод вимірювання «раннього Всесвіту» повинен припускати найдетальніше фізичне розуміння того, як розвивається Всесвіт, роблячи його залежним від моделі. Супутник ESA Planck надав найповніші дані про CMB, і згідно з цим методом H₀ становить 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк.

Напруга Хаббла належати до цієї розбіжності в 5,6 км/с/Мпк, залежно від того, чи використовується метод CMB (ранній Всесвіт) чи метод сходів відстані (пізній Всесвіт). За умови, що вимірювання, виконані обома методами, правильні, це означає, що є щось не так у розумінні основних фізичних законів, які керують Всесвітом. Звичайно, це важливе питання підкреслює, наскільки важливо, щоб методи астрофізиків були надійними.

Нове дослідження EPFL настільки важливе, оскільки воно посилює першу сходинку драбини відстані, покращуючи калібрування цефеїд як вимірювачів відстані. Дійсно, нове калібрування дозволяє нам вимірювати астрономічні відстані з точністю до ± 0,9%, і це надає сильну підтримку пізнім вимірюванням Всесвіту. Крім того, результати, отримані в EPFL у співпраці з командою SH0ES, допомогли уточнити вимірювання H₀, що призвело до підвищення точності та збільшення значення напруги Хаббла.

«Наше дослідження підтверджує швидкість розширення 73 км/с/Мпк, але, що більш важливо, воно також забезпечує найточніші та надійні калібрування цефеїд як інструментів для вимірювання відстаней на сьогодні», — каже Андерсон.

«Ми розробили метод, який шукав цефеїди, що належать до зоряних скупчень, що складаються з кількох сотень зірок, перевіряючи, чи рухаються зірки разом у Чумацькому Шляху. Завдяки цьому трюку ми могли скористатися найкращими знаннями про вимірювання паралакса Геї, а виграючи від збільшення точності, що забезпечується багатьма зірками-членами скупчення. Це дозволило нам підвищити точність паралаксів Геї до їх межі та забезпечило найміцнішу основу, на якій можна спиратися на сходи відстаней».

Переосмислення основних понять

Чому різниця лише в кілька км/с/Мпк має значення, враховуючи величезні масштаби Всесвіту? «Ця розбіжність має величезне значення», — каже Андерсон.

«Припустімо, що ви хочете побудувати тунель, прокопавши дві протилежні сторони гори. Якщо ви правильно зрозуміли тип породи і якщо ваші розрахунки правильні, тоді дві ями, які ви копаєте, зустрінуться в центрі. Але якщо ні, це означає, що ви зробили помилку — або ваші розрахунки неправильні, або ви помилилися щодо типу породи.

«Це те, що відбувається з постійною Хаббла. Чим більше підтвердження ми отримуємо, що наші розрахунки точні, тим більше ми можемо зробити висновок, що розбіжність означає, що наше розуміння Всесвіту помилкове, що Всесвіт не зовсім такий, як ми думали».

Розбіжність має багато інших наслідків. Це ставить під сумнів самі основи, такі як точна природа темної енергії, часопросторовий континуум і гравітація. «Це означає, що ми маємо переосмислити основні концепції, які складають основу нашого загального розуміння фізики», — каже Андерсон.

Дослідження його дослідницької групи роблять важливий внесок і в інших сферах. «Оскільки наші вимірювання такі точні, вони дають нам уявлення про геометрію Чумацького Шляху», — каже доктор філософії Маурісіо Круз Рейес. студент дослідницької групи Андерсона та провідний автор дослідження. «Високо точне калібрування, яке ми розробили, дозволить нам краще визначити розмір і форму Чумацького Шляху як галактики з плоским диском і його відстань до інших галактик, наприклад. Наша робота також підтвердила надійність даних Gaia, порівнявши їх із отриманими. з інших телескопів».