История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции. - Нил Деграсс Тайсон

законах и истории развития либо — что еще более интересно — сможем открыть нечто новое в области базовой физики, которая лежит в основе любого космологического анализа, то сможем обрести новое понимание Вселенной.

Расхождение, о котором идет речь, касается значения основного параметра современной космологии — постоянной Хаббла H0, которая выражает скорость расширения Вселенной в настоящее время. Нужно отметить, что астрофизики описывают постоянную Хаббла в единицах «км/с на мегапарсек», то есть на сколько километров в секунду увеличиваются скорости удаления галактик с увеличением расстояний до них, измеряемых в мегапарсеках (один мегапарсек соответствует 3,26 миллиона световых лет). Один метод определения постоянной Хаббла дает значение чуть больше 67 километров в секунду на мегапарсек, а второй демонстрирует результат, который примерно на 10 % больше первого и близок к 73. Разница между этими двумя числами привела к ситуации, которую космологи часто называют «космическим напряжением», или «напряжением Хаббла». Мы могли бы дать ей и другое, гораздо более звучное имя, например «кризис космологии», чтобы привлечь еще больше внимания, но давайте ограничимся словом «напряжение» и подумаем лучше вот о чем: «Что означает данное явление для нас и в целом для науки?»

Если мы обратимся к истории, то заметим, что нынешнее взволновавшее всех расхождение в оценках больше похоже на сближение. До появления телескопа «Хаббл» выдающиеся астрофизики, которые делали попытки определить значение постоянной Хаббла, расходились в своих оценках ровно в два раза: одни принимали за верное число 50, а другие — 100. Учитывая, какое напряжение породила разница между значениями 67 и 73, занимающая ученых сегодня, можно представить, как далеко мы продвинулись за одну жизнь.

Некоторые астрофизики — обычно не те, кто непосредственно участвует в измерениях или интерпретации результатов — спокойно смотрят на ситуацию. Они считают, что напряжение Хаббла разрешится довольно прозаически, и причем довольно скоро, а правильным будет признано значение, близкое к 70. Но многие из тех, кто потратил годы и даже десятилетия на определение точного значения постоянной Хаббла, придерживаются противоположной точки зрения (что, впрочем, вполне ожидаемо) и продолжают участвовать в жарких спорах. Если оба лагеря окажутся правыми в своих оценках, то с точки зрения истории настоящее вполне может быть названо эпохой, в которой два разных числа открыли дверь в новую физику.

Какие же методы породили напряжение Хаббла? С помощью первого было выявлено существование темной энергии; он использует оценки расстояний, полученные из наблюдений взрывов сверхновых в далеких галактиках. Постоянно совершенствующиеся средства наблюдения за взрывами этих сверхновых, а также уточнения тонких различий между ними привели к получению значений, близких к 73. Однако прежде чем обсуждать неопределенности, связанные этим числом, необходимо изучить главный альтернативный метод определения постоянной Хаббла.

Этот подход основан на использовании того, что космологи называют «стандартной линейкой» по аналогии со «стандартными свечами» — сверхновыми, используемыми в традиционном подходе вычисления постоянной Хаббла. Как рассказывалось в предыдущей главе, в эпоху разделения, которая наступила через 380 тысяч лет после Большого взрыва, некогда существенное гомогенизирующее воздействие излучения на материю наконец прекратилось. С той поры излучение свободно путешествует среди частиц материи, не оказывая на них весомого воздействия. Это произошло, когда максимальное расстояние, на котором частицы материи могли воздействовать друг на друга, составляло около 420 тысяч световых лет — более удаленные друг от друга области не успели каким-либо образом повлиять друг на друга. Это расстояние послужило ученым стандартной линейкой. В предыдущей главе оно было отмечено как максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо влияние и создавать какие-либо шероховатости.

С расширением пространства расширялась и стандартная линейка, соответствующая наибольшим расстояниям в пространстве, в пределах которых могли возникнуть когерентные отклонения плотности материи от среднего значения. Теперь мы можем «увидеть» линейку — точнее, ее влияние — в двух разных эпохах. С первой из них мы уже знакомы. Это эпоха разделения, когда возникли небольшие неоднородности в распределении реликтового излучения, отражающие неравномерность распределения материи. В течение следующих миллиардов лет эти отклонения в плотности, составляющие стотысячные доли, превратились в чрезвычайно большие различия в плотности распределения материи внутри гигантских скоплений галактик и в областях между ними. Максимальные размеры этих скоплений показывают, насколько увеличился размер стандартной линейки с эпохи разделения до настоящего времени.

Таким образом, второй метод определения постоянной Хаббла основан на создании точной карты современной Вселенной и ее сравнении с первоначальными различиями в реликтовом излучении. (На самом деле слово «современный» означает «всего пару миллиардов лет назад» — это среднее время, необходимое для наблюдения за скоплениями галактик, выросшими из крошечных отклонений в реликтовом излучении.) В первые десятилетия XXI века проект Sloan Digital Sky Survey для большей точности задействовал специальный телескоп в Апач-Пойнт (штат Нью-Мексико, США), чтобы составить карты трехмерного распределения галактик в космосе и определить современный размер стандартной линейки. Он оказался равен примерно 490 миллионам световых лет. Сравнение этого расстояния с размером 450 тысяч световых лет, который имела линейка в эпоху разделения, приводит к значению постоянной Хаббла, близкому к 67.

Какую погрешность имеет каждый из этих двух методов, давших оценки 67 и 73? Самый последний анализ, проведенный группами астрофизиков, которые используют подход со стандартной линейкой, дает значение 67,3 (±0,6). Альтернативный подход к определению постоянной Хаббла, основанный на измерении светимости сверхновых, практикуется несколькими независимыми группами наблюдателей, состязающимися не только в точности результатов, но и в привлекательности аббревиатур команд, две из которых, H0LiCOW и SH0ES, с удовольствием включили H0 в свои названия. Самая последняя оценка, полученная группой SH0ES, равна 73,3 (±1,0), тогда как H0LiCOW дает оценку 73,3 (±1,8). Разница между 67+ и 73+ вместе с оценками погрешности создает то, что ученые называют «разницей в пять сигм», что в переводе на простой человеческий звучит как «слишком большая, чтобы ее игнорировать». (Большинство ученых считают значимым расхождение в больше, чем три сигмы, при условии, что они доверяют данным, лежащим в основе расчетов.)

Прежде чем заняться разбором этих противоречивых результатов, следует отметить, что, к нашему удивлению, астрофизики имеют в своем арсенале еще три подхода для определения значения постоянной Хаббла. Один из них уже используется, а еще два скоро будут готовы помочь уточнить наши знания.

Первый из них основан на оценке расстояний до сверхновых в сравнительно близких галактиках путем пристального наблюдения за самыми яркими звездами в гигантских звездных скоплениях. Благодаря изучению этапов эволюции звезд астрофизики знают, сколько энергии те излучают. Как и в случае с наблюдениями сверхновых, сравнение видимых яркостей объектов, которые, как известно, имеют одинаковую истинную светимость, дает соотношение