измерение постоянной Хаббла

Скульптор лепит горы из магнитных полей и тепла, но камень сопротивляется. Нейтронная звезда — сверхплотный остаток взрыва сверхновой — в двойной системе перетягивает вещество с соседней звезды. Это падающее вещество нагревает кору звезды неравномерно, а магнитное поле тянет её изнутри.

В сердце старого города стоит башня с часами, которые не переводили с момента постройки. По их отставанию можно вычислить, насколько растянулось время с тех пор. В космосе роль таких башен играют реликтовые галактики — плотные звёздные скопления, которые сформировались в первые миллиарды лет и с тех пор не сливались с соседями и не рождали новых звёзд.

Шесть бегунов мчатся по дорожке, и судьи замеряют их скорость, не замечая попутного ветра. Ветер дует всем в спину, и секундомеры показывают результат лучше истинного. Примерно так шесть мегамазеров — естественных космических лазеров в далёких галактиках — ввели в заблуждение астрономов, измерявших скорость расширения Вселенной.

Измерять расстояния во Вселенной — задача не из лёгких. Почти все способы опираются на свет, а он по дороге к нам может поглощаться пылью, рассеиваться или искажаться. Это всё равно что пытаться разглядеть далёкий маяк сквозь туман и дымку. Нейтрино — совсем другое дело. Эти частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом, проходят сквозь что угодно, не замечая преград.

Космический рассвет скрыт от нас плотной завесой времени. Заглянуть за неё можно, если поймать радиосигнал от облаков нейтрального водорода — тот самый глобальный сигнал на длине волны 21 см, реликт эпохи, когда первые звёзды ещё только зажигались. Но он настолько слаб, что его заглушает собственный шум приёмника.

Сразу после Большого взрыва пространство остывало неравномерно. В некоторых местах могли возникнуть топологические дефекты — складки пространства, тонкие, как волос, но невероятно плотные нити энергии. Физики называют их космическими струнами.

Предсказанные Альбертом Эйнштейном гравитационные волны — это маяки в тёмном океане космоса. Они вспыхивают при столкновении чёрных дыр и пронизывают Вселенную рябью пространства.

Космологический спор напоминает ситуацию, когда два мастера меряют одну и ту же стену, но получают разную длину. Один использует рулетку, прикладывая её к ближайшим ориентирам — цефеидам (пульсирующим звёздам-маякам) и сверхновым типа Ia (вспышкам умирающих звёзд). У него выходит, что стена растягивается со скоростью 73.5 условных единиц.

В космологии назрела драма: два главных музыкальных инструмента — оркестр ранней Вселенной и камерный ансамбль современного космоса — исполняют одну симфонию расширения в разном темпе.

Полвека назад Фриц Цвикки заметил, что видимой материи в скоплениях галактик катастрофически не хватает для объяснения гравитации. Сегодня мы знаем, что значительная часть обычного вещества — те самые барионы — прячется в разреженной плазме между звёздами и галактиками, в гигантской паутине из водорода и гелия.

Представьте космический оркестр, исполняющий симфонию от Большого взрыва до наших дней. Дирижёр — тёмная энергия — долгое время казался бесстрастным метрономом: космологическая постоянная Λ неподвижна, как палочка, застывшая в воздухе.

Представьте, что вы подбираете ключ к замку, но рука чуть дрожит — и ключ не подходит. Учёные проверяли, как Вселенная «дрожала» в первые мгновения, сравнивая данные телескопов. Оказалось, что если добавить в раннюю Вселенную немного «тёмной энергии», которая ускорила её расширение, то выводы меняются.

Космологический оркестр настраивается не по одному камертону. Есть две группы инструментов: одни слушают гул молодого мироздания — реликтовое излучение, другие считывают ноты со зрелых галактик и сверхновых. Десятилетиями обе группы пытались сыграть унисон — определить, с какой скоростью разлетаются галактические архипелаги.

Вселенная — огромный оркестр, исполняющий партитуру расширения. Галактики разбегаются в такт неслышной музыке тёмной энергии. Но вот беда: дирижёрская палочка, которую держат Эдвин Хаббл, Адам Рисс и Вера Рубин, задаёт два несовместимых темпа.

У Вселенной есть скорость, с которой она раздувается, — её называют постоянной Хаббла. Проблема в том, что два самых точных способа её измерить дают разные числа. Один метод, использующий ранний свет Вселенной (реликтовое излучение), говорит об одном значении. Другой, основанный на наблюдении далёких звёзд в наше время, — о другом, чуть более высоком.

Вселенную можно представить как густой лес: вблизи мы различаем отдельные деревья-галактики, собранные в группы и скопления — своего рода рощи, но издалека всё сливается в сплошную зелень. Грань, за которой космос становится однородным, называют угловым масштабом однородности — это минимальный угловой размер участка неба, начиная с которого галактики распределены равномерно, без заметных сгущений.

Космология — это музыка сфер, и постоянная Хаббла когда-то казалась нам надёжным метрономом. Но данные инструмента DESI, изучающего спектры миллионов галактик, намекают: дирижёр — тёмная энергия — сам меняет темп по ходу симфонии.

Космология напоминает зал суда, где двое свидетелей дают непримиримые показания. Первый — анализ реликтового излучения спутником Planck — утверждает: расширение Вселенной идёт со скоростью 67 (км/с)/Мпк. Второй — лестница расстояний по сверхновым и цефеидам — настаивает на 73.

Ещё Эдвин Хаббл открыл, что галактики разбегаются, а Жорж Леметр связал это с расширением пространства. Сегодня модель ΛCDM, опирающаяся на тёмную энергию и тёмную материю, утверждает, что Вселенная плоская, как идеально натянутый холст.

Космология переживает тектонический разлом. Цефеидно-калиброванные сверхновые, измеренные командой Адама Рисса, указывают на скорость около 73 км/с на мегапарсек.

Двое часов показывают разное время. Одни стоят у нас на столе, другие — далеко в прошлом, в свечении, оставшемся после Большого взрыва. Первые, глядя на близкие галактики, отсчитывают скорость расширения Вселенной — около 73 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния. Вторые, вглядываясь в древний свет, дают заметно меньше — примерно 67.

Вселенная расширяется, но с какой скоростью? Астрономы десятилетиями спорят о точном значении постоянной Хаббла — фундаментальной величины, описывающей темп космологического расширения. Два классических метода дают слегка разные результаты. Теперь появился третий — по загадочным быстрым радиовсплескам.

Вселенная расширяется, и галактики разлетаются, как изюминки в поднимающемся тесте. Скорость этого разлёта — постоянная Хаббла — ключевое число в космологии. Чтобы её измерить, обычно нужен «звуковой горизонт»: след от звуковых волн, которые бежали по горячей плазме в первые сотни тысяч лет после Большого взрыва.

Бозон Хиггса живёт невообразимо мало — меньше миллиардной доли секунды. Поймать его напрямую нельзя, поэтому физики смотрят на то, что остаётся после его распада: струи частиц, мюоны, нейтрино. Но часть информации теряется, если учитывать только явные следы распада, а не всё событие целиком.

В стандартной космологической модели ΛCDM разбегание галактик объясняется действием тёмной энергии — гипотетической субстанции, работающей подобно невидимой пружине, расталкивающей пространство. Однако независимые методы измерения скорости расширения дают расходящиеся значения — словно у линейки сбита шкала.

Вселенная расширяется, но с какой скоростью — вопрос, который не даёт покоя астрономам уже десятилетия. Два способа измерения дают разные ответы, и этот разрыв называют напряжением Хаббла. Одни смотрят на раннюю Вселенную через реликтовое излучение, другие — на близкие сверхновые и цефеиды.

Видимый горизонт Вселенной можно представить как голографический экран, который, подобно чёрной дыре, подчиняется законам, установленным Бекенштейном и Хокингом.

Слияние двух нейтронных звёзд — это как удар гонга: по Вселенной расходится дрожь пространства, гравитационная волна. Детекторы на Земле ловят эту дрожь и по её силе вычисляют расстояние до источника. Но волна летит не в пустоте: по дороге её слегка искривляют гравитационные поля скоплений галактик.

Измерение расширения Вселенной напоминает попытку засечь время забега на беговой дорожке, которая сама растягивается.

Каждое слияние чёрных дыр порождает гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, предсказанную общей теорией относительности Эйнштейна и впервые зарегистрированную при решающем участии Кипа Торна.

Современные телескопы фиксируют: далёкие галактики разлетаются всё быстрее. Причину этого ускоренного расширения называют тёмной энергией — таинственной субстанцией, создающей антигравитационное отталкивание, но её природа оставалась загадкой. К тому же, расчёты скорости разлёта в ранней и поздней Вселенной не совпадают, указывая на пробел в нашем понимании.

Вселенная — это пирог, который готовят по одному рецепту, но чайная ложка и кухонные весы упорно показывают разное количество сахара. Так и с расширением Вселенной: измерения по близким звёздам (ложка) дают одно значение постоянной Хаббла, а по древнему свету Большого взрыва — реликтовому излучению (весы) — совсем другое.

Вселенная расширяется, и каждое скопление галактик участвует в грандиозном космическом танце. Темп этого танца задаёт постоянная Хаббла — ключевая величина, описывающая скорость расширения.

Космологическое сообщество уже несколько лет живёт в состоянии тихой гражданской войны. Два лагеря меряют скорость расширения Вселенной и получают разные ответы. Планк, вглядываясь в реликтовое излучение, говорит: 67.4 км/с/Мпк. SH0ES, карабкаясь по лестнице расстояний от цефеид к сверхновым, настаивает: 73.2.