Если Растяжение Хаббла реально, как его можно разрешить?

Итэн Зигель, 17 августа 2023 года

Два фундаментально разных пути измерения расширения Вселенной расходятся. В чем причина Растяжения Хаббла?

Credit: Ben Gibson/Big Think; Adobe Stock

Так же, как изюм в поднимающемся тесте будет казаться отдаляющимся друг от друга, когда оно распухает, так и галактики во Вселенной будут отдаляться друг от друга по мере расширения самой ткани пространства. Тот факт, что все методы измерения расширения Вселенной не дают одинаковой скорости расширения, вызывает беспокойство и может указывать на проблему с тем, как мы в настоящее время моделируем расширение Вселенной.

• Если измерять расширение Вселенной по далеким галактикам то выяснится, что космос расширяется с одной конкретной скоростью: ~74 км/с/Мпк.

• Если, вместо этого, измерять, какой была Вселенная, когда она была очень молодой, и определять, как это раннее световое излучение растянулось из-за космического расширения, то получится другая скорость: ~67 км/с/Мпк. 

• Некоторые все еще надеются, что истинное значение лежит где-то посередине: около 70-71 км/с/Мпк. 

• Но если обе команды работают правильно, то в чем может быть истинная причина такой разницы?

Независимо от того, какой подход используется для решения проблемы, если методы всех участников верны, они всегда должны приходить к одному и тому же правильному решению. Это относится не только к загадкам, которые мы создаем для наших собратьев здесь, на Земле, но и к самым глубоким загадкам, которые предлагает нам природа. Одной из величайших задач, которые мы можем осмелиться исследовать, является выяснение того, как Вселенная расширялась на протяжении своей истории: от Большого взрыва и до наших дней. Можно представить себе два крайне разных метода, которые должны быть оба действительными:

1. Начать с начала, развивать Вселенную вперед во времени в соответствии с законами физики, а затем измерить те самые реликтовые сигналы и их отпечатки на Вселенной, чтобы определить, как она расширялась на протяжении своей истории.

2. В качестве альтернативы можно начать с здесь и сейчас, наблюдать за удаленными объектами, насколько мы можем видеть их удаляющимися от нас, и затем делать выводы о том, как Вселенная расширялась, исходя из этих данных.

Оба эти метода опираются на одни и те же законы физики, одну и ту же базовую теорию гравитации, одни и те же космические составляющие и даже на одни и те же уравнения друг с другом. И все же, когда мы фактически проводим наши наблюдения и делаем эти критические измерения, мы получаем два совершенно разных ответа, которые не согласуются друг с другом. Эта проблема, при которой первый метод дает 67 км/с/Мпк, а второй - 73-74 км/с/Мпк, с неопределенностью всего около 1% для каждого метода, известна как растяжение Хаббла и, возможно, является наиболее актуальной проблемой современной космологии.

Некоторые все еще цепляются за надежду, что правильный ответ находится где-то между этими двумя экстремумами, но ошибки очень малы, и обе команды уверены в своих заключениях. И, если обе они правы, что это означает для нашей Вселенной?

Credit: Ned Wright/Betoule et al. (2014)

График видимой скорости расширения (ось Y) в зависимости от расстояния (ось X) согласуется с Вселенной, которая расширялась быстрее в прошлом, но в которой далекие галактики сейчас ускоряются в своем разлете. Это современная версия, продвинутая в тысячи раз дальше, чем первоначальная работа Хаббла. Обратите внимание на то, что точки не образуют прямую линию, что указывает на изменение скорости расширения со временем. Тот факт, что Вселенная следует тому закону, который она следует, указывает на наличие и позднее доминирование темной энергии.

Основы расширения

Одно из великих теоретических достижений современной астрофизики и космологии вытекает напрямую из общей теории относительности и всего лишь одного простого осознания: что Вселенная, на самых больших космических масштабах, одновременно:

- однородна, или одинакова во всех местах,

- изотропна, или одинакова во всех направлениях.

Как только вы делаете эти два предположения, уравнения Эйнштейна, которые определяют, как связаны между собой кривизна и расширение пространства-времени и содержание материи и энергии во Вселенной, упрощаются до очень простых и понятных правил.

Эти правила учат нас, что Вселенная не может быть статичной; скорее, должна либо расширяться, либо сжиматься, и что измерение самой Вселенной — единственный способ определить, какой из сценариев является правильным. Более того, измерение того, как изменялась скорость расширения со временем, позволяет понять, что присутствует в нашей Вселенной и в каких относительных количествах. Аналогично, если вы знаете, как Вселенная расширяется в любой момент её истории, и также знаете, какие различные формы материи и энергии присутствуют во Вселенной, вы можете определить, как она расширялась и как будет расширяться в любой момент в прошлом или будущем. Это невероятно мощный инструмент теории.

Credit: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (JHU)

Построение космической лестницы расстояний включает в себя переход от нашей Солнечной системы к звездам, к близким и к далеким галактикам. Каждая "ступень" несет в себе свои неопределенности, особенно те места, где разные "перекладины" лестницы соединяются. Однако недавние усовершенствования в лестнице расстояний показали, насколько надежны ее результаты.

Метод лестницы расстояний

Один из подходов настолько прост, насколько это возможно.

Сначала вы измеряете расстояния до астрономических объектов, расстояние до которых можно определить непосредственно.

Затем вы пытаетесь найти корреляции между внутренними свойствами этих объектов, которые легко измерить, например, сколько времени звезда-переменная тратит на то, чтобы достигнуть максимальной яркости, затем угаснуть до минимума и снова стать максимально яркой, а также то, что сложнее измерить, например, насколько ярок этот объект в абсолютной шкале. 

Затем вы находите те же типы объектов подальше, например, в галактиках, отличных от Млечного Пути, и используете те измерения, которые можете сделать, а также ваше знание о том, как связаны наблюдаемая яркость и расстояние, чтобы определить расстояние до этих галактик.

После этого вы измеряете чрезвычайно яркие события или свойства этих галактик, например, как изменяется их поверхностная яркость, как звезды внутри них вращаются вокруг галактического центра, или как происходят определенные яркие события, например, сверхновые, внутри них.

И, наконец, вы ищете те же признаки в далеких галактиках, снова надеясь использовать ближайшие объекты для привязки ваших более отдаленных наблюдений, предоставляя вам способ измерения расстояний до очень далеких объектов, а также возможность измерить, насколько Вселенная в сумме расширилась за время с момента излучения света до его прибытия к нам.

Credit: A.G. Riess et al., ApJ, 2022

Для определения взаимосвязи между расстоянием до объекта и его видимой нам скоростью удаления используются различные классы объектов и измерения. Эта взаимосвязь выводится из красного смещения света объекта по отношению к нам. Как видно, от очень близкой Вселенной (внизу-слева) до удаленных мест более чем на 10 миллиардов световых лет (вверху-справа), это очень последовательное соотношение красного смещения и расстояния продолжает сохраняться.

Этот метод называется космической лестницей расстояний, поскольку каждая "ступенька" на лестнице проста, но переход к следующей, более далекой, зависит от прочности ступеньки под ней. Долгое время для достижения самых далеких расстояний во Вселенной требовалось огромное количество ступенек, и было чрезвычайно сложно достичь расстояний в миллиард световых лет или более.

Благодаря недавним достижениям не только в технологии телескопов и наблюдательных методиках, но и в понимании неопределенностей, связанных с отдельными измерениями, нам удалось полностью революционизировать науку о лестнице расстояний.

Около 40 лет назад на космической лестнице расстояний было, возможно, семь или восемь ступенек, они приводили вас на расстояния менее миллиарда световых лет, и неопределенность в скорости расширения Вселенной составляла около двух: между 50 и 100 км/с/Мпк.

Два десятилетия назад были опубликованы результаты ключевого проекта - космического телескопа Хаббл, и количество необходимых ступенек было сокращено до примерно пяти, расстояния выводили нас на несколько миллиардов световых лет, и неопределенность в скорости расширения была сведена к гораздо меньшему значению: между 65 и 79 км/с/Мпк.

Credit: A.G. Riess et al., ApJ, 2022

Еще в 2001 году существовало множество различных источников ошибок, которые могли бы исказить лучшие измерения константы Хаббла, полученные с помощью космической лестницы расстояний, и расширение Вселенной, значительно увеличив или уменьшив их значения. Благодаря кропотливой и тщательной работе многих, эта проблема более не актуальна, поскольку ошибки были значительно снижены. Новые работы с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба, не показанные здесь, еще больше снизили ошибки, связанные с цефеидами и периодом-светимостью, чем здесь показано.

Сегодня на космической лестнице расстояний требуется всего три ступени, так как мы можем перейти непосредственно от измерения параллакса переменных звезд (таких как цефеиды), который сообщает нам расстояние до них, к измерению тех же классов звезд в ближайших галактиках (где эти галактики содержат по крайней мере одну сверхновую типа Ia), до измерения сверхновых типа Ia до самых дальних пределов далекой Вселенной, где мы можем их видеть: на расстоянии до десятков миллиардов световых лет.

Благодаря геркулесовым усилиям многих наблюдательных астрономов, все неопределенности, которые долгое время беспокоили эти различные наборы наблюдений, были снижены до уровня ниже ~1%. В итоге скорость расширения теперь определена достаточно точно — около 73-74 км/с/Мпк, с погрешностью всего ±1 км/с/Мпк к этому. Впервые в истории космическая лестница расстояний, ведущая от настоящего времени и охватывающая более 10 миллиардов лет космической истории, предоставила нам скорость расширения Вселенной с очень высокой точностью.

Credit: NASA/ESA and the COBE, WMAP, and Planck teams; Planck Collaboration, A&A, 2020

Хотя мы можем измерять колебания температуры по всему небу на всех угловых масштабах, именно пики и впадины в этих колебаниях температур сообщают нам о соотношении обычного вещества к темной материи, а также о длине/размере акустического масштаба, где обычное вещество (но не темная материя) «отскакивает» наружу из-за взаимодействий с излучением. Это излучение включает в себя фотоны, которые имеют значительное сечение взаимодействия с частицами ионизированной плазмы ранней Вселенной, а также нейтрино, которые не имеют такого взаимодействия.

Метод ранних сигналов

Между тем, существует совершенно другой метод, который мы можем использовать для независимого решения той же самой загадки: метод ранних реликтов. В начале горячего Большого взрыва, Вселенная почти, но не совсем идеально, однородна. Хотя температуры и плотности изначально одинаковы везде - во всех местах и во всех направлениях с точностью до 99,997% - существуют эти крошечные несоответствия на уровне ~0,003% и в том и в другом.

Теоретически, они были сгенерированы космической инфляцией, которая очень точно предсказывает их спектр. Динамически, регионы с плотностью чуть выше среднего будут преимущественно привлекать все больше и больше материи в себя, приводя к гравитационному росту структуры и, в конечном итоге, ко всей космической сети. Однако присутствие двух типов материи - обычной и темной - а также излучения, которое сталкивается с обычной материей, но не с темной материей, приводит к тому, что возникают так называемые "акустические пики", что означает, что материя пытается сжаться, но отскакивает, создавая ряд пиков и впадин в наблюдаемых нами плотностях на различных масштабах.

Credit: Zosia Rostomian, LBNL

Иллюстрация паттернов кластеризации из-за барионных акустических осцилляций, где вероятность нахождения галактики на определенном расстоянии от любой другой галактики определяется взаимосвязью между темной материей и обычной материей, а также эффектами взаимодействия обычной материи с излучением. По мере расширения Вселенной это характерное расстояние также увеличивается, позволяя нам измерять постоянную Хаббла, плотность темной материи и даже скалярный спектральный индекс. Результаты согласуются с данными Космического Микроволнового Излучения Фона (КМИФ), и Вселенной, состоящей примерно из 25% темной материи, в отличие от 5% обычной материи, с темпом расширения около 67 км/с/Мпк.

Эти пики и впадины появляются в двух местах в очень ранние времена.

Они появляются в остаточном свечении от Большого Взрыва: в космическом микроволновом фоне. Когда мы смотрим на флуктуации температуры - или отклонения от средней (2,725 К) температуры в излучении, оставшемся после Большого Взрыва, мы обнаруживаем, что они составляют примерно ~0,003% от этой величины на больших космических масштабах, достигая максимума около ~1 градуса на меньших угловых масштабах. Затем они поднимаются, падают, снова поднимаются и т. д., в общей сложности около семи акустических пиков. Размер и масштаб этих пиков, которые можно рассчитать, когда Вселенной было всего 380 000 лет, затем приходят к нам настоящему, которое зависит только от того, как Вселенная расширялась с момента испускания света, тогда, до настоящего времени, 13,8 миллиардов лет спустя.

Они проявляются в крупномасштабной кластеризации галактик, где этот первоначальный пик масштаба ~1 градуса теперь расширился, чтобы соответствовать расстоянию около 500 миллионов световых лет. Где бы ни была галактика, вы с большей вероятностью найдете другую галактику на расстоянии 500 миллионов световых лет, чем на расстоянии 400 миллионов или 600 миллионов световых лет: доказательство того же самого отпечатка. Отслеживая, как это расстояние менялось по мере расширения Вселенной - используя стандартную «линейку» вместо стандартной «свечи» - мы можем определить, как Вселенная расширялась на протяжении своей истории.

Credit: NASA/JPL-Caltech

Стандартные свечи (слева) и стандартные линейки (справа) - это две разные техники, которые астрономы используют для измерения расширения пространства в различные времена/на различных расстояниях в прошлом. Основываясь на изменении таких величин, как светимость или угловой размер с расстоянием, мы можем сделать выводы об истории расширения Вселенной. Использование метода свечи является частью лестницы расстояний и дает значение в 73 км/с/Мпк. Использование метода линейки является частью метода ранних сигналов и дает значение в 67 км/с/Мпк. С появлением новых данных от космического телескопа Джеймса Уэбба загадка о скорости расширения Вселенной стала еще более запутанной.

Проблема заключается в том, что, независимо от того, используете ли вы реликтовое излучение или особенности, которые мы видим в крупномасштабной структуре Вселенной, вы получаете согласованный ответ: 67 км/с/Мпк с погрешностью всего ±0,7 км/с/Мпк, или около 1%.

И вот в чем загадка: у нас есть два кардинально разных метода изучения расширения Вселенной в течение ее истории. Каждый из них полностью самосогласован. Все методы "лестницы расстояний" и все методы, основанные на реликтовых свидетельствах, дают одинаковые ответы между собой, и эти ответы фундаментально расходятся между двумя этими методами.

Если действительно нет серьезных ошибок, допущенных командами исследователей, то что-то не складывается в нашем понимании расширения Вселенной. С момента, прошедшего через 380 000 лет после Большого взрыва, и до наших дней, 13,8 миллиарда лет спустя, мы знаем:

• насколько расширилась Вселенная

• какие виды энергии существуют во Вселенной

• правила, которым подчиняется Вселенная, такие как общая теория относительности

Если мы не совершили какую-то ошибку, то очень сложно найти объяснение, которое согласовало бы эти два класса измерений без привлечения какого-то нового, экзотического физического явления.

Credit: L. Verde, T. Treu & A.G. Riess, Nature Astronomy, 2019

Ряд различных групп, стремящихся измерить скорость расширения Вселенной, вместе с их результатами, обозначенными цветами. Обратите внимание на большое расхождение между результатами, полученными на раннем (два верхних) и позднем (остальные) временах, при этом погрешности каждого из поздних измерений значительно больше. Хотя эти два класса измерений дают несовместимые результаты, никто не знает, как разрешить противоречие в вопросе о том, почему Вселенная, кажется, расширяется по-разному в зависимости от метода, используемого для измерения расширения.

Сердце загадки

Если мы знаем, что находится во Вселенной в плане обычного вещества, темной материи, излучения, нейтрино и темной энергии, то мы знаем, как Вселенная расширялась от Большого взрыва до испускания реликтового излучения и от момента испускания реликтового излучения до настоящего времени.

Первый этап, от Большого взрыва до испускания реликтового излучения, устанавливает акустический масштаб (масштабы пиков и впадин), и это масштаб, который мы измеряем напрямую в различное космическое время. Мы знаем, как Вселенная расширялась с 380 000 лет до настоящего времени, и "67 км/с/Мпк" - единственное значение, которое дает правильный акустический масштаб в те ранние времена.

Тем временем, второй этап, после излучения реликтового излучения и до настоящего времени, может быть измерен напрямую от звезд, галактик и звездных взрывов, и "73 км/с/Мпк" - единственное значение, которое дает правильную скорость расширения. Никакие изменения в этом режиме, включая изменения в поведении темной энергии (в пределах уже существующих наблюдательных ограничений), не могут объяснить это расхождение.

Другие, менее точные методы в среднем дают около ~70 км/с/Мпк в своих оценках скорости космического расширения, и вы можете с трудом оправдать согласованность с данными по всем методам, если вы принудительно установите это значение как верное. Но с невероятными данными КМИФ/Барионных Акустических Осцилляций (БАО) для определения акустического масштаба и удивительно точными сверхновыми типа Ia для измерения расширения через космическую лестницу дистанций, даже значение в 70 км/с/Мпк растягивает пределы обоих наборов данных.

Credit: ESA & the Planck Collaboration: P.A.R. Ade et al., A&A, 2014

Лучшая карта КМИФ и лучшие ограничения на темную энергию и параметр Хаббла от нее. Мы приходим к Вселенной, которая на 68% состоит из темной энергии, на 27% из темной материи и всего на 5% из обычной материи на основании этого и других свидетельств, с лучшим значением скорости расширения в 67 км/с/Мпк. Нет маневренного пространства, которое позволило бы этому значению увеличиться до ~73 и оставаться согласующимся с данными, но значение в ~70 км/с/Мпк все еще возможно, как показывают различные точки на графике; это просто изменит несколько других космологических параметров (больше темной энергии и меньше темной материи), которые могут все еще составить полностью согласованную картину.

Что если каждый прав?

Есть одно основное предположение, связанное с расширением Вселенной, которое все принимают, но которое может оказаться не совсем верным: содержание энергии во Вселенной - то есть количество нейтрино, количество частиц обычного вещества, количество и масса частиц темной материи, количество темной энергии и так далее - остались фундаментально неизменными по мере расширения Вселенной. То, что никакой тип энергии не исчезал, не распадался и/или не превращался в другой тип энергии на протяжении всей истории Вселенной.

Но возможно, что в прошлом произошло какое-то значительное преобразование энергии, поскольку:

• материя превращается в излучение через ядерный синтез в звездах,

• нейтрино ведут себя как излучение на раннем этапе, когда Вселенная горячая, и затем, когда Вселенная холодная, как материя,

• нестабильные, массивные частицы распадаются на смесь менее массивных частиц и излучения,

• энергия, присущая пространству, в форме темной энергии, распадалась в конце инфляции для производства горячего Большого взрыва, полного материи и излучения,

• и массивные пары частица-античастица, которые ведут себя как материя, аннигилируют в излучение.

Все, что нужно, - чтобы некоторая форма энергии изменилась с того момента, когда эти ранние реликтовые сигналы были созданы и зафиксированы примерно 13,8 миллиарда лет назад, до того момента, когда мы начинаем наблюдать за самыми дальними объектами, которые позволяют нам проследить историю расширения Вселенной через метод "космической лестницы" несколько миллиардов лет спустя.

Credit: A.G. Riess, Nat Rev Phys, 2020

Современные противоречия в измерениях с помощью "космической лестницы" (красный цвет) в сравнении с данными от ранних сигналов от КМФ и BAO (синий цвет). Возможно, что метод ранних сигналов верен и существует фундаментальный изъян в "космической лестнице"; возможно, что небольшая ошибка на малых масштабах искажает метод ранних сигналов и "космическая лестница" правильна, или что обе группы правы и какая-то новая физика (показана сверху) является причиной. Идея о существовании ранней формы темной энергии интересна, но это подразумевало бы наличие большего количества темной энергии в ранние времена, которая с течением времени (в основном) распалась.

Вот несколько возможных теоретических решений, которые могли бы объяснить это наблюдаемое несоответствие, позволяя обеим наблюдательным группам быть "правыми", изменяя какую-то часть энергетического содержания Вселенной со временем.

1. Могла существовать форма "ранней темной энергии", которая была присутствующей на стадиях радиационного доминирования в горячем Большом Взрыве, составляя несколько процентов от Вселенной, которая распалась к моменту формирования нейтральных атомов.

2. Могло произойти незначительное изменение кривизны Вселенной от чуть большего к чуть меньшему значению, составляя около 2% от общей энергетической плотности Вселенной.

3. Могло существовать взаимодействие темной материи и нейтрино, которое было важно при высоких энергиях и температурах, но которое не имеет значения в поздние времена.

4. Могло быть дополнительное количество излучения, присутствующее и влияющее на расширение космоса в ранний период, как некий вид безмассовых "темных фотонов".

5. Или возможно, что темная энергия не была истинной космологической постоянной на протяжении нашей истории, а скорее эволюционировала либо в величине, либо в своем уравнении состояния со временем.

Когда все части головоломки собраны вместе, и всё ещё остается недостающий элемент, наиболее мощным теоретическим шагом, который можно предпринять, является попытка завершить его, добавив минимальное количество дополнительных компонентов. Мы уже добавили темную материю и темную энергию в космическую картину, и только сейчас обнаруживаем, что этого, возможно, недостаточно для разрешения проблем. С добавлением всего одного дополнительного компонента - и существует множество возможных вариантов его проявления - существование некой формы ранней темной энергии наконец могло бы привести Вселенную в равновесие. Это не гарантированно. Но в эпоху, когда доказательства больше нельзя игнорировать, пора начать рассматривать, что параметров Вселенной может быть больше, чем кто-либо до сих пор осознавал.