Напряжённость Хаббла — крупная нерешённая проблема космологии: два независимых метода измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла, H₀) дают существенно разные значения. Один метод использует реликтовое излучение (космический микроволновый фон, CMB) — остаточное излучение Большого взрыва — и предполагает стандартную космологическую модель, давая значение около 67,4 км/с/Мпк. Другой метод использует локальные измерения расстояний, такие как цефеиды и сверхновые типа Ia, и даёт более высокое значение около 73,0 км/с/Мпк. Расхождение значительно превышает погрешности измерений, что указывает либо на неизвестную физику, либо на изъян в нашей космологической модели.
История
Напряжённость возникла в 2010-х годах по мере улучшения измерений. Данные CMB, полученные спутником Planck в 2013 году, дали низкое значение, в то время как проект SH0ES на космическом телескопе «Хаббл» под руководством Адама Рисса последовательно измерял более высокое значение, что со временем усилило расхождение.
Как это работает
Метод CMB измеряет скорость расширения косвенно, подгоняя угловой масштаб акустических осцилляций в ранней Вселенной, которые зависят от звукового горизонта на момент рекомбинации. Это требует предположения о конкретной космологической модели (ΛCDM). Локальный метод строит космическую лестницу расстояний: параллакс калибрует цефеиды, цефеиды калибруют сверхновые, а сверхновые раскрывают скорость расширения. Напряжённость возникает потому, что два подхода расходятся на уровне 5–6 сигма, что означает крайне низкую вероятность статистической случайности. Возможные решения включают новую физику, такую как ранняя тёмная энергия, изменение фундаментальных констант или систематические ошибки в измерениях расстояний.
Где применяется
Разрешение напряжённости Хаббла имеет решающее значение для точной оценки космологических параметров, что влияет на наше понимание тёмной энергии, тёмной материи и судьбы Вселенной. Это также влияет на точные проверки общей теории относительности в космических масштабах.
Любопытный факт
Напряжённость Хаббла называют «трещиной в стандартной модели космологии», поскольку она намекает на то, что наше понимание состава и эволюции Вселенной может быть неполным, что потенциально требует пересмотра модели ΛCDM.
Капля чернил растекается в стакане воды: края её двигаются быстрее, чем середина, и форма капли меняется. Так и сгусток тёмной материи, стягивающийся под собственной тяжестью, расширяется неравномерно — разные его оболочки разлетаются с разной скоростью. Раньше астрофизики умели точно описывать лишь самый простой случай — однородный шар с резкой границей, у которого один темп расширения.
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.
Лампа спрятана за большим аквариумом с водой. Вы видите не один источник света, а несколько его отражений и преломлений — вода искривляет путь лучей. Примерно так же массивная галактика работает как гигантская гравитационная линза: её гравитационное поле искривляет лучи далёкого квазара (яркого ядра галактики), и на небе появляется сразу несколько его копий.
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.
Вселенная — это огромный тёмный океан. Мы видим лишь светящуюся пену на его поверхности — звёзды и галактики. А в глубине скрыты две невидимые стихии: тёмная материя — невидимое вещество, которое своей гравитацией не даёт галактикам разлететься, и тёмная энергия — загадочная субстанция, которая, наоборот, расталкивает само…
В 1998 году физики поймали нейтрино на удивительном: частица меняет свой тип на лету. Такое возможно, только если у неё есть масса. Это стало единственным лабораторным доказательством физики за пределами Стандартной модели. Но сколько именно весит нейтрино — до сих пор загадка.
Космология попала в интересную переделку. Два главных способа заглянуть в прошлое Вселенной — по раннему свечению (реликтовому излучению) и по более поздним объектам вроде сверхновых — выдают разные числа для скорости расширения (постоянной Хаббла) и для того, насколько комковато разбросано вещество.
Спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что свет отделился от плазмы. Это реликтовое излучение до сих пор пронизывает космос — как первый аккорд симфонии, отзвук горячего начала.
Две галактики — наш Млечный Путь и его спутник Большое Магелланово Облако — медленно кружатся друг вокруг друга. Их гравитационное притяжение встряхивает далёкие окраины Млечного Пути, словно камешек, брошенный в пруд, заставляет воду колебаться.
Через три минуты после Большого взрыва Вселенная играла свою первую симфонию. Это был Большой взрыв нуклеосинтез — образование лёгких ядер, где каждый элемент звучал своей нотой, а темп задавался расширением пространства.
Холодная чёрная гладь — так миллиарды лет выглядело море тёмной энергии, невидимой субстанции, расталкивающей расширение Вселенной. Но спектрограф DESI зафиксировал едва уловимую зыбь. Застывшие звуковые волны — барионные акустические осцилляции — подсказали: с космическими расстояниями неладно.
Вселенная остывала, как гигантская ванна после горячего начала. Через 400 000 лет после Большого взрыва водород уже готов был рекомбинировать — протоны ловили электроны, чтобы стать нейтральными атомами. Но где-то в этой тёмной воде продолжал капать кран.
Гравитация — это не просто сила, которая держит нас на полу. В масштабах Вселенной она дирижирует галактиками, изгибает лучи света и определяет судьбу всего сущего. Сто лет назад Эйнштейн описал её как кривизну пространства и времени.
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.
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.
Вселенная — это оркестр, играющий симфонию Большого взрыва. Дирижёром долгое время считалась тёмная энергия — незыблемый метроном, задающий темп расширению.
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.
Космология похожа на оркестр, где разные группы инструментов вдруг начали играть вразнобой. Измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) по ранней и поздней Вселенной дают разные числа. Другие наблюдения намекают на «отрицательную» массу нейтрино нейтронных звёзд — физический нонсенс.
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.
В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.
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.
Десятилетиями два независимых метода измерения скорости разлёта галактик — постоянной Хаббла — давали противоречивые цифры. Ситуация напоминала комнату с двумя термометрами, показывающими разную температуру. Один метод опирался на наблюдения близких сверхновых звёзд, другой — на анализ древнего света, реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.
Гул стоит по всей Вселенной. Это не звук, а дрожь самого пространства — гравитационный волновой фон. Его создают пары сверхмассивных чёрных дыр, кружащих друг вокруг друга в центрах далёких галактик. Каждая такая пара — как басовый инструмент в огромном оркестре. Поймать соло одного инструмента на фоне общего гудения — задача для пульсарных антенн.
Две линейки показывают чуть-чуть разную длину одного и того же стола. Примерно так выглядит ситуация в космологии с постоянной Хаббла — числом, которое говорит, как быстро расширяется Вселенная.
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.
Космология переживает тектонический разлом. Цефеидно-калиброванные сверхновые, измеренные командой Адама Рисса, указывают на скорость около 73 км/с на мегапарсек.
Космологи устроили очную ставку двум видам космических взрывов. Сверхновые типа Ia — это звёзды, которые вспыхивают с почти одинаковой яркостью, поэтому служат надёжными маяками для измерения расстояний во Вселенной. Гамма-всплески гораздо мощнее, но капризнее: их видно с огромных расстояний, только вот сила вспышки каждый раз разная.
Кузнец куёт меч. С каждым ударом молота раскалённый металл плющится, но и сам молот, и наковальня, и воздух вокруг чуть нагреваются. Часть энергии удара безвозвратно уходит в тепло — и этот размен, знакомый каждому, кто хоть раз забивал гвоздь, оказывается ключом к самым большим загадкам космоса.
Огромный надувной шар, на котором нарисованы галактики, раздувается — и рисунок растягивается, соседние точки отдаляются друг от друга. Скорость этого растягивания и есть постоянная Хаббла. Обычно астрономы ловят свет далёких звёзд и смотрят, насколько он покраснел от растяжения пространства.
На кухне стоят весы для муки и мерный стакан для воды. По отдельности они точны, но когда печёшь хлеб, рецепт требует идеального соотношения. Похожий спор идёт у астрономов о скорости расширения Вселенной. Прямые замеры по звёздам дают одно число, а расчёты по реликтовому излучению (свету, оставшемуся от Большого взрыва) — другое, чуть меньшее.
Реликтовое излучение — это послесвечение Большого взрыва, которое мы видим на миллиметровых волнах. Но у него есть и длинноволновый хвост, уходящий в радиодиапазон. На волнах длиннее 21 сантиметра этот свет начинает поглощаться нейтральным водородом, разбросанным в далёком космосе.
Огромный слоёный пирог, где слои теста — это пространство, а начинка — особая область, похожая на невидимую стену. Эта стена не из кирпичей, а из энергии, и она может быть толщиной с целую Вселенную. Если такая стена существует, она должна по-разному растягивать слои теста: те, что лежат вдоль неё, раздвигаются быстрее, а те, что поперёк, — медленнее.
Именно такую картину проверили авторы работы.
Древний свет — космическое микроволновое фоновое излучение, — путешествуя 14 миллиардов лет, приходит к нам со всех направлений. На первый взгляд оно идеально однородно, но при детальном анализе в нём проступают мельчайшие температурные колебания — как рябь на гладкой плёнке. Эта рябь не случайный шум, а зашифрованная летопись ранней Вселенной.
Архитектор сверяется с чертежом, когда строит дом. У космологов чертёж — это стандартная модель, а рулетка — свет далёких галактик. Недавно новая «рулетка», прибор DESI, измерила расстояния до миллионов галактик с невиданной точностью. И цифры не совпали с чертежом.
