Предыдущая публикация
Астрономы не могут прийти к единому мнению о том, как быстро расширяется Вселенная
Новые подходы направлены на выход из тупика
.Прошло почти 100 лет с тех пор, как ученые обнаружили, что Вселенная расширяется. В последующие десятилетия точность измерений, а также интерпретации и выводы из этого открытия стали источником ожесточенных споров. Теперь мы знаем, что Вселенная возникла из сильно сжатого состояния в результате события, известного как Большой взрыв .Авторы и права: ЕКА/Хаббл и НАСА, Ф. Пако, Д. Коу
------------------
Измерения современной скорости расширения, известной как постоянная Хаббла или H₀ (произносится как H-naught), значительно улучшились с тех ранних дней. Однако теперь астрономическое сообщество охватили новые дебаты: два независимых измерения H₀, которые должны были бы совпасть, дают разные результаты. Эта ситуация стала известна как «напряжение H₀» или напряжение Хаббла.
Этому вопросу посвящены многочисленные конференции, обзорные статьи и журнальные статьи. Некоторые называют его « кризисом космологии », требующим смены парадигмы в нашем понимании вселенной . Расширение вселенной является ключевым аспектом ее истории со времен Большого взрыва, поэтому оно лежит в основе многих других элементов нашего понимания.
Другие рассматривают напряжение H₀ просто как признак того, что команды по измерениям не полностью понимают свои данные и что с лучшими данными «кризис» будет разрешен. Но его решение остается неуловимым.
В центре этого спора находятся два метода измерения: «лестница расстояний» и « космический микроволновый фон ». Лестница расстояний является более старым из двух и использовалась в различных формах с самого раннего обнаружения расширения Вселенной.
Первые доказательства были получены в результате пионерских измерений слабых облакообразных объектов, которые, как мы теперь знаем, являются галактиками за пределами Млечного Пути. Американский астроном В. М. Слайфер измерил химические сигнатуры в свете этих объектов. Используя технику спектроскопии для сопоставления этих сигнатур с сигнатурами известных молекул, он обнаружил, что их длины волн были растянуты по сравнению со стандартными лабораторными результатами.
Это растяжение длин волн света от других галактик, известное как «красное смещение», вызвано эффектом Доплера . Это явление также отвечает за то, что высота звука воющей сирены увеличивается по мере приближения аварийного автомобиля, а затем уменьшается по мере его прохождения. В основополагающей статье 1917 года Слайфер объявил, что почти все галактики, которые он наблюдал, удаляются от Млечного Пути.
Данные Слайфера были впоследствии использованы Эдвином Хабблом в его знаменитом исследовании 1929 года, показывающем, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и, следовательно, тем больше ее красное смещение. Соотношение между красным смещением и расстоянием — это постоянная Хаббла.
Расширение Вселенной уже предвиделось теоретиками. В начале 1920-х годов Александр Фридман и Жорж Леметр независимо друг от друга поняли , что недавно опубликованная общая теория относительности Альберта Эйнштейна может предсказать расширяющуюся Вселенную, и что следствием этого будут красные смещения галактик, которые увеличиваются с расстоянием.
Расстояние лестницы
Далекие галактики удаляются от нас из-за расширения Вселенной. Измерения постоянной Хаббла основаны на определении связи между расстоянием до этих объектов и скоростью, с которой они удаляются.
По этой причине единицей измерения H₀ традиционно является «километр в секунду на мегапарсек», что относится к скорости объекта, находящегося на расстоянии одного мегапарсека (единица измерения расстояния, используемая астрономами, эквивалентная примерно 3 миллионам световых лет).
------------------
Измерения современной скорости расширения, известной как постоянная Хаббла или H₀ (произносится как H-naught), значительно улучшились с тех ранних дней. Однако теперь астрономическое сообщество охватили новые дебаты: два независимых измерения H₀, которые должны были бы совпасть, дают разные результаты. Эта ситуация стала известна как «напряжение H₀» или напряжение Хаббла.
Этому вопросу посвящены многочисленные конференции, обзорные статьи и журнальные статьи. Некоторые называют его « кризисом космологии », требующим смены парадигмы в нашем понимании вселенной . Расширение вселенной является ключевым аспектом ее истории со времен Большого взрыва, поэтому оно лежит в основе многих других элементов нашего понимания.
Другие рассматривают напряжение H₀ просто как признак того, что команды по измерениям не полностью понимают свои данные и что с лучшими данными «кризис» будет разрешен. Но его решение остается неуловимым.
В центре этого спора находятся два метода измерения: «лестница расстояний» и « космический микроволновый фон ». Лестница расстояний является более старым из двух и использовалась в различных формах с самого раннего обнаружения расширения Вселенной.
Первые доказательства были получены в результате пионерских измерений слабых облакообразных объектов, которые, как мы теперь знаем, являются галактиками за пределами Млечного Пути. Американский астроном В. М. Слайфер измерил химические сигнатуры в свете этих объектов. Используя технику спектроскопии для сопоставления этих сигнатур с сигнатурами известных молекул, он обнаружил, что их длины волн были растянуты по сравнению со стандартными лабораторными результатами.
Это растяжение длин волн света от других галактик, известное как «красное смещение», вызвано эффектом Доплера . Это явление также отвечает за то, что высота звука воющей сирены увеличивается по мере приближения аварийного автомобиля, а затем уменьшается по мере его прохождения. В основополагающей статье 1917 года Слайфер объявил, что почти все галактики, которые он наблюдал, удаляются от Млечного Пути.
Данные Слайфера были впоследствии использованы Эдвином Хабблом в его знаменитом исследовании 1929 года, показывающем, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и, следовательно, тем больше ее красное смещение. Соотношение между красным смещением и расстоянием — это постоянная Хаббла.
Расширение Вселенной уже предвиделось теоретиками. В начале 1920-х годов Александр Фридман и Жорж Леметр независимо друг от друга поняли , что недавно опубликованная общая теория относительности Альберта Эйнштейна может предсказать расширяющуюся Вселенную, и что следствием этого будут красные смещения галактик, которые увеличиваются с расстоянием.
Расстояние лестницы
Далекие галактики удаляются от нас из-за расширения Вселенной. Измерения постоянной Хаббла основаны на определении связи между расстоянием до этих объектов и скоростью, с которой они удаляются.
По этой причине единицей измерения H₀ традиционно является «километр в секунду на мегапарсек», что относится к скорости объекта, находящегося на расстоянии одного мегапарсека (единица измерения расстояния, используемая астрономами, эквивалентная примерно 3 миллионам световых лет).
Три основных шага, которые астрономы используют для расчета скорости расширения Вселенной, значение, называемое постоянной Хаббла. Они включают построение космической «лестницы расстояний». NASA/EsaSA/A. Feild (STScI)
------------------
Как и Слайфер сто лет назад, скорости разбегания можно легко измерить с помощью спектроскопии. Однако точные измерения расстояний до галактик, как известно, сложны, поэтому здесь в игру вступает лестница расстояний.
Самая нижняя «ступенька» лестницы представляет собой объекты в небе, которые находятся достаточно близко, чтобы мы могли использовать прямые методы для измерения расстояния, такие как метод параллакса, где движение Земли вокруг Солнца создает периодические сдвиги в угловом положении объектов. Последующие ступени представляют собой измерения все более удаленных наборов объектов.
Они выбираются как объекты, для которых легко измерить относительные расстояния, но, как и линейка без цифр на ней, их абсолютное расстояние должно быть откалибровано. Эту функцию обеспечивают объекты на самой нижней ступени.
Цефеиды — яркие и массивные пульсирующие звезды — особенно полезны в качестве ступеней из-за тесной корреляции между периодом их пульсации и яркостью, открытой Генриеттой Суон Ливитт в 1908 году. Самая далекая ступень обычно образуется сверхновыми типа 1a (взрывами, которые происходят, когда определенные звезды достигают конца своей жизни), которые также предоставили неопровержимые доказательства того, что скорость расширения Вселенной увеличивается.
Космические микроволны
Другой метод измерения, находящийся в центре дебатов, — это космический микроволновый фон (CMB). Это свет, излучаемый, когда Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет — задолго до того, как сформировались звезды или планеты. Вместо этого все пространство заполняла горячая плазма, почти идеально однородная, за исключением звуковых волн, которые, как полагают, берут свое начало в Большом взрыве.
Физика Вселенной в это время удивительно проста, поэтому мы можем делать надежные предсказания о свойствах этих волн. В сочетании с точными измерениями наши математические модели говорят нам, какова была скорость расширения Вселенной в это раннее время. С моделью для последующей истории расширения мы можем сделать чрезвычайно точное предсказание H₀.
Теперь давайте посмотрим, что каждый метод находит для H₀. Самое точное измерение лестницы расстояний получено от научной группы SH0ES под руководством лауреата Нобелевской премии Адама Рисса. Их последнее измерение дает H₀ = 73,2 км в секунду на мегапарсек. Самое точное измерение CMB от группы спутников Planck Европейского космического агентства составляет H₀ = 67,4 км в секунду на мегапарсек.
Хотя эти два измерения находятся в пределах 10% друг от друга, разница огромна по сравнению с точностью каждого измерения на уровне процентов. Она также выше статистического порога "5 сигм", традиционно принимаемого учеными как показатель события, которое не является чисто случайным.
Итак, что может быть причиной такого большого расхождения между двумя измерениями? Одним из виновников может быть то, что модель, используемая для предсказания H₀ из CMB, неверна. Возможно, альтернативная модель для Вселенной примирит предсказание CMB с измерением дистанционной лестницы. За последние несколько лет среди теоретиков наблюдалась интенсивная активность в этом направлении.
Главное препятствие заключается в том, что эволюция Вселенной сильно ограничена рядом надежных измерений, накопленных за десятилетия. Более того, измерение CMB H₀ подтверждается независимыми измерениями сопоставимой точности с использованием обзоров галактик. Последнее такое измерение от коллаборации Dark Energy Spectroscopic Instrument (Desi) дает H₀ = 68,5 км в секунду на мегапарсек с точностью примерно 1% — в соответствии со значением CMB.
Становимся креативными
Поэтому теоретикам пришлось проявить креативность. Одно из предположений заключается в том, что очень ранняя Вселенная прошла через внезапную фазу усиленного расширения до того, как был испущен реликтовый фон. Это привело к образованию первых атомов раньше, чем ожидалось. Идея заключается в том, что «стандартное» измерение реликтового фона H₀ пренебрегло этим эффектом и сделало вывод, что постоянная Хаббла была меньше, чем она есть на самом деле.
Проблема решений такого рода заключается в том, что они должны также предсказывать другие подробные закономерности, наблюдаемые в реликтовом излучении, которые были измерены с исключительной точностью спутником «Планк» и другими телескопами.
Другие предлагаемые решения включают предположения о магнитных полях, влияющих на формирование первых атомов, или даже о том, что Земля находится в нетипичной части Вселенной, которая расширилась до необычно большой степени. К сожалению, ни одно из предлагаемых решений не является одновременно убедительным и способным соответствовать всем имеющимся данным.
Альтернативная, хотя и более прозаическая, линия рассуждений заключается в том, что наша физическая картина вселенной верна, но одно или несколько измерений пренебрегли некоторым наблюдательным эффектом. Это подстегнуло интенсивное изучение измерений SH0ES и Planck как астрономическим сообществом, так и самими командами. Пока что никаких ошибок не было обнаружено ни в одном из анализов.
Дорога впереди
Итак, каков путь вперед? Недавно появились некоторые весьма перспективные методы, использующие альтернативные ступени в шкале расстояний, которые могут конкурировать с измерением SH0ES.
Группа под руководством Венди Фридман, американского пионера современных исследований H₀, использовала определенные звезды, которые попадают в категорию, известную как «кончик ветви красных гигантов» (TRGB), для создания новых калибровок расстояний до сверхновых. Этот метод позволяет избежать неопределенностей, присущих использованию цефеид. Интересно, что он дает H₀ = 69,8 — константу между Planck и SH0ES, хотя и с большими неопределенностями.
Кроме того, команда Фридмана недавно обнаружила несоответствие между расстояниями до галактик, подразумеваемыми звездами TRGB и цефеидами, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) . Если это подтвердится будущими анализами, это несоответствие поставит подход с использованием лестницы расстояний на гораздо более неопределенную основу.
Качество измерений H₀ неизбежно улучшится с новыми данными от JWST, новыми образцами сверхновых и инновационными методами, такими как использование гравитационных волн от сливающихся черных дыр. Но разрешат ли эти усилия напряженность Хаббла или усугубят ее, еще предстоит увидеть.
На данный момент наше понимание Вселенной продолжает омрачаться разногласиями в измерениях скорости расширения. Спустя сто лет после своего появления постоянная Хаббла продолжает сбивать нас с толку.
Предоставлено The Conversation
------------------
Как и Слайфер сто лет назад, скорости разбегания можно легко измерить с помощью спектроскопии. Однако точные измерения расстояний до галактик, как известно, сложны, поэтому здесь в игру вступает лестница расстояний.
Самая нижняя «ступенька» лестницы представляет собой объекты в небе, которые находятся достаточно близко, чтобы мы могли использовать прямые методы для измерения расстояния, такие как метод параллакса, где движение Земли вокруг Солнца создает периодические сдвиги в угловом положении объектов. Последующие ступени представляют собой измерения все более удаленных наборов объектов.
Они выбираются как объекты, для которых легко измерить относительные расстояния, но, как и линейка без цифр на ней, их абсолютное расстояние должно быть откалибровано. Эту функцию обеспечивают объекты на самой нижней ступени.
Цефеиды — яркие и массивные пульсирующие звезды — особенно полезны в качестве ступеней из-за тесной корреляции между периодом их пульсации и яркостью, открытой Генриеттой Суон Ливитт в 1908 году. Самая далекая ступень обычно образуется сверхновыми типа 1a (взрывами, которые происходят, когда определенные звезды достигают конца своей жизни), которые также предоставили неопровержимые доказательства того, что скорость расширения Вселенной увеличивается.
Космические микроволны
Другой метод измерения, находящийся в центре дебатов, — это космический микроволновый фон (CMB). Это свет, излучаемый, когда Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет — задолго до того, как сформировались звезды или планеты. Вместо этого все пространство заполняла горячая плазма, почти идеально однородная, за исключением звуковых волн, которые, как полагают, берут свое начало в Большом взрыве.
Физика Вселенной в это время удивительно проста, поэтому мы можем делать надежные предсказания о свойствах этих волн. В сочетании с точными измерениями наши математические модели говорят нам, какова была скорость расширения Вселенной в это раннее время. С моделью для последующей истории расширения мы можем сделать чрезвычайно точное предсказание H₀.
Теперь давайте посмотрим, что каждый метод находит для H₀. Самое точное измерение лестницы расстояний получено от научной группы SH0ES под руководством лауреата Нобелевской премии Адама Рисса. Их последнее измерение дает H₀ = 73,2 км в секунду на мегапарсек. Самое точное измерение CMB от группы спутников Planck Европейского космического агентства составляет H₀ = 67,4 км в секунду на мегапарсек.
Хотя эти два измерения находятся в пределах 10% друг от друга, разница огромна по сравнению с точностью каждого измерения на уровне процентов. Она также выше статистического порога "5 сигм", традиционно принимаемого учеными как показатель события, которое не является чисто случайным.
Итак, что может быть причиной такого большого расхождения между двумя измерениями? Одним из виновников может быть то, что модель, используемая для предсказания H₀ из CMB, неверна. Возможно, альтернативная модель для Вселенной примирит предсказание CMB с измерением дистанционной лестницы. За последние несколько лет среди теоретиков наблюдалась интенсивная активность в этом направлении.
Главное препятствие заключается в том, что эволюция Вселенной сильно ограничена рядом надежных измерений, накопленных за десятилетия. Более того, измерение CMB H₀ подтверждается независимыми измерениями сопоставимой точности с использованием обзоров галактик. Последнее такое измерение от коллаборации Dark Energy Spectroscopic Instrument (Desi) дает H₀ = 68,5 км в секунду на мегапарсек с точностью примерно 1% — в соответствии со значением CMB.
Становимся креативными
Поэтому теоретикам пришлось проявить креативность. Одно из предположений заключается в том, что очень ранняя Вселенная прошла через внезапную фазу усиленного расширения до того, как был испущен реликтовый фон. Это привело к образованию первых атомов раньше, чем ожидалось. Идея заключается в том, что «стандартное» измерение реликтового фона H₀ пренебрегло этим эффектом и сделало вывод, что постоянная Хаббла была меньше, чем она есть на самом деле.
Проблема решений такого рода заключается в том, что они должны также предсказывать другие подробные закономерности, наблюдаемые в реликтовом излучении, которые были измерены с исключительной точностью спутником «Планк» и другими телескопами.
Другие предлагаемые решения включают предположения о магнитных полях, влияющих на формирование первых атомов, или даже о том, что Земля находится в нетипичной части Вселенной, которая расширилась до необычно большой степени. К сожалению, ни одно из предлагаемых решений не является одновременно убедительным и способным соответствовать всем имеющимся данным.
Альтернативная, хотя и более прозаическая, линия рассуждений заключается в том, что наша физическая картина вселенной верна, но одно или несколько измерений пренебрегли некоторым наблюдательным эффектом. Это подстегнуло интенсивное изучение измерений SH0ES и Planck как астрономическим сообществом, так и самими командами. Пока что никаких ошибок не было обнаружено ни в одном из анализов.
Дорога впереди
Итак, каков путь вперед? Недавно появились некоторые весьма перспективные методы, использующие альтернативные ступени в шкале расстояний, которые могут конкурировать с измерением SH0ES.
Группа под руководством Венди Фридман, американского пионера современных исследований H₀, использовала определенные звезды, которые попадают в категорию, известную как «кончик ветви красных гигантов» (TRGB), для создания новых калибровок расстояний до сверхновых. Этот метод позволяет избежать неопределенностей, присущих использованию цефеид. Интересно, что он дает H₀ = 69,8 — константу между Planck и SH0ES, хотя и с большими неопределенностями.
Кроме того, команда Фридмана недавно обнаружила несоответствие между расстояниями до галактик, подразумеваемыми звездами TRGB и цефеидами, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) . Если это подтвердится будущими анализами, это несоответствие поставит подход с использованием лестницы расстояний на гораздо более неопределенную основу.
Качество измерений H₀ неизбежно улучшится с новыми данными от JWST, новыми образцами сверхновых и инновационными методами, такими как использование гравитационных волн от сливающихся черных дыр. Но разрешат ли эти усилия напряженность Хаббла или усугубят ее, еще предстоит увидеть.
На данный момент наше понимание Вселенной продолжает омрачаться разногласиями в измерениях скорости расширения. Спустя сто лет после своего появления постоянная Хаббла продолжает сбивать нас с толку.
Предоставлено The Conversation
Следующая публикация
Комментарии 1