Различные измерения скорости расширения Вселенной дают противоречивые результаты. Но это простое решение может все исправить.
В 1915 году общая теория относительности Эйнштейна дала нам совершенно новую теорию гравитации, основанную на геометрической концепции искривленного пространства-времени. Материя и энергия говорили пространству, как искривляться; искривленное пространство говорило материи и энергии, как двигаться. К 1922 году ученые обнаружили, что если равномерно заполнить Вселенную материей и энергией, она не останется на месте, а будет либо расширяться, либо сжиматься. К концу 1920-х годов благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла мы обнаружили, что наша Вселенная расширяется, и получили первое измерение скорости расширения.
Попытка точно определить, что такое скорость, теперь натолкнулась на препятствие, поскольку два разных метода измерения дали противоречивые результаты. Это может быть индикатором новой физики. Но могло быть и более простое решение, и никто не хочет об этом говорить.
Противоречие состоит в следующем: когда мы видим далекую галактику, мы видим ее такой, какой она была в прошлом. Но дело не только в том, что вы смотрите на свет, который появился миллиард лет, и делаете вывод, что галактика находится в миллиарде световых лет от нас. Вместо этого галактика на самом деле будет дальше.
Почему это? Потому что пространство, из которого состоит сама наша Вселенная, расширяется. Это предсказание общей теории относительности Эйнштейна, впервые сделанное в 1920-х годах, а несколько лет спустя подтвержденное наблюдениями Эдвина Хаббла, стало одним из краеугольных камней современной космологии.
Большой вопрос в том, как это измерить. Как измерить, как расширяется Вселенная? Все методы неизменно основываются на одних и тех же общих правилах:
- вы выбираете точку в прошлом Вселенной, где вы можете сделать наблюдение,
- вы измеряете свойства, которые можете измерить относительно этой удаленной точки,
- и вы вычисляете, как Вселенная должна была расширяться с того времени до сегодняшнего дня, чтобы воспроизвести то, что вы видите.
Это могут быть самые разные методы, начиная от наблюдения близлежащей Вселенной и заканчивая объектами, находящимися за миллиарды световых лет от нас.
Уже много лет назревает спор. Два разных метода измерения - один с использованием лестницы космических расстояний и один с использованием первого наблюдаемого света во Вселенной - дают результаты, которые взаимно несовместимы. Напряжение имеет огромное значение, поскольку что-то может быть не так с тем, как мы понимаем Вселенную.
Есть и другое объяснение, гораздо более простое, чем мысль о том, что либо со Вселенной что-то не так, либо требуется какая-то новая физика. Вместо этого возможно, что один (или несколько) методов имеет связанную с ним систематическую ошибку: неотъемлемый недостаток метода, который еще не выявлен и который искажает его результаты. Любой метод (или даже оба метода) может быть ошибочным. Вот история того, как.
Лестница космических расстояний - старейший из известных нам методов вычисления расстояний до далеких объектов. Вы начинаете с измерения чего-то близкого: например, расстояния до Солнца. Затем вы используете прямые измерения далеких звезд, используя движение Земли вокруг Солнца, известное как параллакс, для расчета расстояния до ближайших звезд. Некоторые из этих ближайших звезд будут включать в себя переменные звезды, такие как цефеиды, которые можно точно измерить в близких и далеких галактиках, а в некоторых из этих галактик будут происходить события, подобные сверхновым типа Ia, которые являются одними из самых далеких объектов из всех.
Проведите все эти измерения, и вы сможете вычислить расстояния до галактик, находящихся за много миллиардов световых лет от нас. Сложите все это вместе с легко измеримыми красными смещениями, и вы получите измерение скорости расширения Вселенной.
Так была впервые обнаружена темная энергия, и наши лучшие методы лестницы космических расстояний дают нам скорость расширения 73,2 км/с/Мпк с погрешностью менее 3%.
Однако.
Если на каком-либо этапе этого процесса возникает одна ошибка, она распространяется на все более высокие ступени. Мы можем быть вполне уверены, что правильно измерили расстояние от Земли до Солнца, но измерения параллакса в настоящее время пересматриваются миссией Gaia со значительной неопределенностью. Цефеиды могут иметь в себе дополнительные переменные, искажающие результаты. Недавно было показано, что сверхновые типа Ia отличаются совсем немного, возможно, на 5%, от того, что считалось ранее. Возможность того, что это ошибка, является самой ужасающей возможностью для многих ученых, работающих над космической лестницей.
С другой стороны, у нас есть измерения состава и скорости расширения Вселенной на основе самого раннего из доступных ее изображений: космического микроволнового фона. Крошечные колебания температуры, составляющие 1/30 000, демонстрируют очень специфическую картину во всех масштабах, от самых больших для всего неба до 0,07° или около того, где их разрешение ограничено фундаментальной астрофизикой самой Вселенной..
Основываясь на полном наборе данных Планка, у нас есть точные измерения того, из чего состоит Вселенная и как она расширялась за свою историю. Вселенная состоит на 31,5 % из материи (где 4,9 % - нормальная материя, а остальное - темная материя), на 68,5 % - темная энергия и всего на 0,01 % - излучение. На сегодняшний день скорость расширения Хаббла определена как 67.4 км/с/Мпк, с погрешностью всего около 1%. Это создает огромное напряжение с результатами лестницы космических расстояний.
Кроме того, у нас есть еще одно измерение из далекой Вселенной, которое дает еще одно измерение, основанное на том, как галактики группируются вместе в больших масштабах. Когда у вас есть галактика, вы можете задать простой вопрос: какова вероятность найти другую галактику на определенном расстоянии?
Основываясь на том, что мы знаем о темной материи и обычной материи, существует повышенная вероятность найти галактику на расстоянии 500 миллионов световых лет от другой по сравнению с 400 миллионами или 600 миллионами. Это актуально для сегодняшнего дня, и, поскольку в прошлом Вселенная была меньше, шкала расстояний, соответствующая этому увеличению вероятности, меняется по мере расширения Вселенной. Этот метод известен как лестница обратного расстояния и дает третий метод измерения расширяющейся Вселенной. Это также дает скорость расширения около 67 км/с/Мпк, опять же с небольшой неопределенностью.
Возможно, оба этих измерения тоже имеют изъян. В частности, многие из этих параметров взаимосвязаны, а это означает, что если вы попытаетесь увеличить один, вам придется уменьшить или увеличить другие. Хотя данные Планка указывают на скорость расширения Хаббла 67,4 км/с/Мпк, эта скорость может быть выше, например, 72 км/с/Мпк. Если бы это было так, это просто означало бы, что нам нужно меньшее количество материи (26% вместо 31,5%), большее количество темной энергии (74% вместо 68,5%) и больший скалярный спектральный индекс (нс) для характеристики колебания плотности (0,99 вместо 0,96).
Это маловероятно, но это показывает, как один небольшой недостаток, если мы что-то упустили, может помешать совмещению этих независимых измерений.
Для космологии возникает множество проблем, если команды, измеряющие Космический микроволновый фон и лестницу обратного расстояния, ошибаются. Вселенная, судя по измерениям, которые мы имеем сегодня, не должна иметь низкую плотность темной материи или высокий скалярный спектральный индекс, которые подразумевала бы большая постоянная Хаббла. Если значение действительно окажется ближе к 73 км/с/Мпк, нас может ожидать космическая революция.
С другой стороны, если команда космической лестницы расстояний ошибается из-за ошибки на какой-либо ступени лестницы расстояний, кризис полностью избегается. Была одна упущенная систематика, и как только она решена, каждая часть космической головоломки встает на свои места. Возможно, значение скорости расширения Хаббла действительно находится где-то между 66,5 и 68 км/с/Мпк, и все, что нам нужно было сделать, это определить одну астрономическую ошибку, чтобы получить ее.
Возможность пересмотра многих наиболее убедительных выводов, к которым мы пришли за последние два десятилетия, завораживает и заслуживает тщательного изучения. Обе группы могут быть правы, и может быть физическая причина, по которой близлежащие измерения искажаются по сравнению с более дальними. Обе группы могут ошибаться; они оба могли ошибаться.
Но этот спор может закончиться астрономическим эквивалентом ослабленного кабеля OPERA. Группа лестницы расстояний может иметь изъян, и наши крупномасштабные космологические измерения могут быть на вес золота. Это было бы самым простым решением этой захватывающей саги. Но пока не поступят важные данные, мы просто ничего не знаем. Между тем, наше научное любопытство требует, чтобы мы исследовали. На карту поставлена не меньше, чем вся Вселенная.